В 1830-е годы Институт Корпуса инженеров путей сообщения, первым директором которого был знаменитый испанский инженер и ученый мирового уровня Августин Августинович Бетанкур, был закрытым учебным заведением, организованным по образцу кадетских корпусов.
В 1834 году на высокой должности директора служил профессор начертательной геометрии, генерал-лейтенант Карл Потье, французский инженер, закончивший Политехническую школу и Школу мостов и дорог в Париже, и при согласии императора Александра I, приглашенный Бетанкуром в Россию. К. Потье сменил генерал-лейтенанта Петра Базена, бывшего вторым директором института, выдающегося математика и механика, почетного члена Петербургской академии наук и прославившегося крупными инженерными работами в Санкт-Петербурге.
П. Базен передал в ведение Карла Потье институт, успевший заслужить высокий научный авторитет среди высших технических учебных заведений города (кроме военных ВУЗов, в те годы в Санкт-Петербурге готовили специалистов, такие институты, как Горный, Технологический, Гражданских инженеров, Лесной). На тот момент, институт располагал крупной библиотекой, физическим, минералогическим, модельным и инструментальным кабинетами, лабораторией, различными мастерскими, кроме того, при институте был свой музей. В этом учебном заведении работали 80 профессоров, преподавателей и других сотрудников, и в нем обучались 347 студентов.
9 октября 1836 года директором института был назначен генерал-майор А. Д. Готман, студент первого институтского выпуска 1813 года, талантливый ученик А. Бетанкура, успевший проявить себя во многих инженерно-строительных работах. Помощником Готмана по учебной части стал профессор Я. А. Севастьянов, выпускник института 1814 года. Питомцы института А. Д. Готман и Я. А. Севастьянов, в течение первых трех-четырех лет своей работы, перевели преподавание в институте с французского на русский язык и начали выпускать учебные пособия только на русском языке, что в значительной мере облегчало обучение студентов.
Николай Ильич Миклуха застал перестройку в работе института, обучаясь вначале на французском, а затем и на русском языке. Он слушал курс лекций многих выдающихся ученых — академиков Петербургской академии наук В. Я. Буняковского (по высшей математике), М. В. Остроградского (по аналитической механике и астрономии), Г И. Гесса (по химии), А. Я. Купфера, младшего брата профессора Нежинского лицея (по физике), а также профессоров П. П. Жако (по архитектуре), Я. А. Севастьянова (по начертательной геометрии), И. Ф. Ястржембского (по прикладной механике). Благодаря таким замечательным учителям, Николай Ильич в 1840 году блестяще окончил институт вторым по успехам, уступив только Петру Собко, впоследствии ставшего профессором института и всегда интересовавшегося судьбой своих однокурсников.
Получив звание инженер-поручика, Николай Ильич поступил в распоряжение Корпуса инженеров путей сообщения и был определен к работе по соединению рек Волги и Москвы, выполняемой III округом путей сообщения. Но вскоре, 25 февраля 1843 года, Н. И. Миклуха был переведен на строительство Петербурго-Московской железной дороги. Ранее, в марте 1841 года, был образован Особый Комитет для составления предварительного проекта железной дороги между Петербургом и Москвой, где главную роль играли профессора Института Корпуса инженеров путей сообщения П. П. Мельников и Н. О. Крафт. Именно ими и были подготовлены аргументированные технико-экономические обоснования этого выдающегося проекта. И, как результат, 1 февраля 1842 года был издан указ Николая I о создании Комитета Петербурго-Московской железной дороги, в составе которого действовала Строительная комиссия под председательством А. Х. Бенкендорфа, при участии П. П. Мельникова, Н. О. Крафта и других видных специалистов.
В августе 1842 года Главноуправляющим путей сообщения стал П. А. Клейнмихель, и все строительство дороги было переподчинено ему. Строительная комиссия была упразднена, а ее функции были переданы Департаменту железных дорог, образованному в составе Главного управления путей сообщения и публичных зданий. При департаменте была создана Техническая комиссия, которая должна была рассматривать все проекты и сметы расходов по железной дороге. В состав этой комиссии вошли 6 человек, в том числе П. П. Мельников и Н. О. Крафт. Строительство дороги было поручено двум дирекциям — Северной, под управлением П. П. Мельникова, прокладывающей рельсы от Санкт-Петербурга до нынешней станции Бологое, и Южной, под управлением Н. О. Крафта, работающей на пути от Москвы до Бологого. П. П. Мельников поселился в Чудове, а Н. О. Крафт — в Твери. Все лето и осень 1842 года проводились изыскания на местности, в которых участвовали многие молодые выпускники Института Корпуса инженеров путей сообщения. Основные изыскательские работы в Северной дирекции были завершены в декабре 1842 года, а в Южной — в апреле 1843 года. К маю 1843 года общее направление дороги было нанесено на карту, проект трассы дороги был закончен и представлен в департамент на утверждение.
После одобрения результатов проектно-изыскательских работ, летом 1843 года, началось строительство дороги. Каждая дирекция была разделена на 6 участков, а каждый участок отвечал за строительство на дистанции длиной 10— 12 км. Во главе участков и дистанций были поставлены инженеры путей сообщения, всего их насчитывалось 79 человек. Вот в тот период, под общим руководством П. П. Мельникова, и началась работа Николая Ильича Миклухи в должности начальника дистанции в Северной дирекции. В июле 1846 года Николай Ильич, как сказано в его послужном списке, был назначен «помощником начальника опытного пути от Санкт-Петербургской пассажирской станции, до Александровского механического заведения Санкт-Петербургской железной дороги», а самим начальником опытного пути стал инженер путей сообщения Петр Клоков. 7 мая 1847 года, опытный путь длиной в 27 км, был сдан в эксплуатацию, и на нем открылось рабочее движение грузовых и пассажирских поездов (движение на магистрали начиналось частями по мере готовности отдельных участков). В этом была заслуга и Николая Ильича, как первого чиновника, отправлявшего поезда из Санкт-Петербурга.
6 марта 1848 года Николая Ильича назначили начальником Санкт-Петербургской пассажирской станции Петербурго-Московской железной дороги и, одновременно, начальником вокзала, строительство которого еще не было завершено. Строительство столичного вокзала было начато в 1844 году по, утвержденному императором, проекту известного архитектора К. А. Тона. Правда, вследствие отъезда К. А. Тона на 5 месяцев за границу, к наблюдению за строительством был привлечен архитектор Р. А. Желязевич — в архивах сохранились семь листов чертежей по устройству пассажирской станции в Петербурге , датированных 1845 годом и подписанных Желязевичем. С 1847 года архитектор Тон больше участия в строительстве вокзала не принимал.
Начальником станции и вокзала Николай Ильич оставался до августа 1849 года. После чего, 11 августа он был переведен на более ответственную работу — под началом Н. О. Крафта, он стал начальником опытного пути Петербурго-Московской железной дороги на участке Южной дирекции, между Вышним Волочком и Тверью. В октябре 1849 года этот опытный участок был открыт. Туда, по Мариинской водной системе, были в разобранном виде доставлены паровозы. Там они были собраны и поставлены на рельсы. Поэтому значение участка, куда был направлен Николай Ильич, было особо важным для организации движения от Бологого до Москвы. В том же октябре 1849 года, на участке от Вышнего Волочка до Твери, было открыто движение пассажирских поездов по расписанию и с продажей билетов (для движения рабочих поездов этот участок уже был готов в уже конце августа).
Николай Ильич в декабре 1849 года писал: «Первый поезд назначенного правильного (т.е. по расписанию — прим. авт.) пассажирского движения по железной дороге между Вышним Волочком и Тверью отправился из Твери утром в 10 часов и прибыл в Волочек того же числа благополучно. На станциях задержек и в пути остановок не было». Первыми русскими машинистами на этом опытном пути были Иван Плотников и Василий Исаев. 1 ноября 1851 года Петербурго-Московская железная дорога была сдана в постоянную эксплуатацию. В связи с этим, Николай Ильич в сентябре 1851 года возглавил вначале VI, а с июля 1852 года — IV отделение первой двухпутной магистрали России (с жительством в Санкт-Петербурге). Он стал одним из первых инженеров путей сообщения в России, освоивших эксплуатационное направление в своей практической работе на железнодорожном транспорте. При участии всех начальников отделений дороги, в том числе и Николая Ильича Миклухи, в 1854 году, впервые в России, в рамках всей магистрали был введен график движения поездов.
Инженер Миклуха стал инициатором устройства на опытном участке Петербурго-Московской железной дороги живой изгороди из елок, для защиты верхнего полотна дороги от снежных заносов. В письме Н. О. Крафту от 16 марта 1850 года Николай Ильич отметил, что «поставленные ряды елок в настоящую зиму в опытном пути на всем его протяжении весьма хорошо предохранили дорогу от снежных заносов. Елки устанавливались там, где дорога идет по горизонтальной местности или малом возвышении или понижении над нею, при переходе пути в выемку и выходе из нее. На версту требуется около 4-х тысяч елок».
Условия труда Н. И. Миклухи, особенно на первых порах, были чрезвычайно трудными. Протяженность болот на участке Северной дирекции, от Петербурга до Бологого, составляла 36% всего участка, а общая длина болот, пересекаемых железной дорогой, достигала 170 км. Строители, в большинстве своем крепостные крестьяне из Белоруссии, которых на участке работы Н. И. Миклухи их было около тысячи человек, нередко работали по пояс в воде. Их руками было выполнено около 100 млн. кубических метров земляных работ, т. е. 160 тыс. кубометров на один км пути. Этот колоссальный объем свидетельствует о непосильной загрузке каждого рабочего. Кроме того, надо учесть, что рабочие жили на строительстве в простых деревянных бараках, в шалашах, в землянках или в холщовых палатках. Селили их всех по нескольку десятков человек. Плохое питание, большая скученность, грязь, отсутствие бань и простейших уборных, вызывали распространение заразных болезней. Нередко на стройке свирепствовали тиф и цинга, отмечались случаи холеры, что приводило к тяжелым заболеваниям, а зачастую и к смерти.
Только в январе—феврале 1846 года, на участках Северной дирекции умерло 357 человек. На всей же магистрали работало 35 тыс. человек, из которых несколько тысяч, погибли от голода и болезней. Николай Ильич часто находился среди рабочих, поддерживая их своим вниманием и заботой, обеспечивая им необходимые перерывы для отдыха и смены одежды, договариваясь с подрядчиками работ об улучшении условий их труда. За это рабочие отвечали ему любовью и уважением. Сам Николай Ильич, со своей семьей, всегда жил в районе строительства, часто в тех же палатках, что и рабочие, работал без отпусков и иногда без выходных. И такая восьмилетняя бивуачная жизнь не могла не сказаться на его здоровье, оно было подорвано, и он все больше начинал уставать. Только поддержка жены, да радость общения с детьми, придавали ему силы работать дальше.
Николай Ильич был человеком с широким кругозором, и он проявлял интерес не только к технической литературе — в его душе всегда много места занимали поэзия и музыка. И знакомство с поэтом Алексеем Константиновичем Толстым стало для него значимым событием. Толстой познакомил Николая Ильича с Н. А. Некрасовым и А. И. Герценом. С семьей Герцена общалась и дружила и вся семья молодого инженера.
Примечательно, что переписку с Герценом Николай Ильич не прерывал и после того, как тот эмигрировал в Англию, и это обстоятельство не ускользнуло от внимания полиции. Н. И. Миклуха болезненно переживал арест и ссылку Т Г Шевченко, которого глубоко уважал как автора «Кобзаря» и других свободолюбивых произведений. В то время, когда Т. Г. Шевченко томился в ссылке в Оренбургском крае, Николай Ильич послал Шевченко в Александровский форт 150 рублей, весьма значимую, по тем временам, сумму. Это также не понравилось полиции и даже самому Александру II. И в 1856 году Николая Ильича уволили с должности начальника отделения дороги, из-за начала следствия по делу о связях с репрессированным Т. Г. Шевченко.
20 декабря 1857 года (2 января 1858 года по новому стилю), так и не отметив свое сорокалетие, в расцвете своих творческих сил, Николай Ильич скончался от скоротечного туберкулез легких. На руках его жены остались пятеро детей — старшему сыну было 12 лет, а младшему всего 1,5 года. Похоронили инженер-капитана на Волковском православном кладбище Петербурга.
В 1938 году его прах был перезахоронен на территории, которая в 1885 году получила наименование «Литераторские мостки». В 1867 году, на ст. Любань, Николаевской железной дороги, была освящена каменная Петропавловская церковь, построенная по проекту К. А. Тона, и построенная на народные средства и пожертвование П. П. Мельникова, которое составило половину от необходимой для строительства храма суммы. На мраморной доске, размещенной при входе в церковь, были высечены фамилии всех инженеров— строителей дороги, в том числе и фамилия Н. И. Миклухи. К сожалению, эта доска была уничтожена во время Великой Отечественной войны 1941 — 1945 годов, когда значительно пострадала и сама церковь. В 1901 году совет управления Николаевской железной дороги принял решение считать Петропавловскую церковь на станции Любань, храмом-памятником Николаевской железной дороги.
В 2000 году, после завершения работ по реставрации Петропавловской церкви, разрушенной в военное время, этот храм был освящен патриархом Московским и всея Руси Алексием II. Восстановление храма было проведено на благотворительные средства работников Октябрьской железной дороги, поддержавших предложение начальника дороги и министра путей сообщения А. А. Зайцева о необходимости реставрации храма.