Родился 24 февраля 1880 года в Харькове. Отец – служащий частной фирмы Боткиных, мать вела домашнее хозяйство. Сестра – артистка Малого театра В.О. Массалитинова. Детство и юность прошли в Томске, гимназистом Массалитинов принимал участие в любительских спектаклях. В 1900 году поступил на медицинский факультет Томского университета, за участие в студенческой демонстрации был исключен из университета. Перешёл в Технологический институт, по той же причине был исключен из института. В 1904 году по совету сестры (к тому времени актрисы Малого театра) переехал в Москву и был принят в Московское императорское театральное училище в класс А.А. Федотова. Присутствовавшие в 1907 на выпускном спектакле училища К.С. Станиславский и Вл.И. Немирович- Данченко пригласили его в МХТ.
В 1924 году Массалитинов создал частную театральную школу в Берлине, в 1925–1944 годах — главный режиссёр Народного театра в Софии. Поставил более 140 спектаклей. Стал одним из ведущих деятелей болгарской сцены.
В 1948 году был удостоен звания Народного артиста Болгарии.
Н.О. Массалитинов умер в Софии 22 марта 1961 года. призы и награды Лауреат Димитровской премии (1950).
