30 июня 1941 призван в Красную армию и направлен в распоряжение начальника курсов «Выстрел». В январе 1942 назначен начальником 1-го (оперативного) отделения штаба 323-й стрелковой дивизии, формировавшейся в ОрВО в г. Тамбов. Участвовал в Тульской, Ржевско-Вяземской наступательных операциях. В феврале назначен начальником штаба 233-й курсантской стрелковой бригады. В мае назначен начальником штаба 13-й мотострелковой бригады Резерва Ставки ВГК (в МВО). В августе она в составе 12-го танкового корпуса участвовала в боях на Западном фронте, в контрударе по 2-й немецкой танковой армии южнее г. Козельск. С 19 сентября и до конца 1942 бригада находилась в Резерве Ставки ВГК в районе г. Плавск, затем была передана Воронежскому фронту и участвовала в Острогожско- Россошанской операции. В ходе наступления на харьковском направлении в феврале 1943 вступил в командование бригадой. Успешно руководил ею в Харьковских наступательной и оборонительной операциях, при освобождении г. Мерефа. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 21.4.1943 подполковник Н.Л. Михайлов награждён орд. Ленина. С апреля бригада находилась в Резерве Ставки ВГК, в мае передана в 3-ю гвардейскую танковую армию и с середины июля в составе войск Брянского и Центрального (с 27 июля) фронтов участвовала в Орловской операции. За успешные боевые действия бригада была преобразована в 22-ю гвардейскую (26.7.1943), а её командир полковник Н.Л. Михайлов приказом войскам Брянского фронта от 4.8.1943 награждён орд. Красного Знамени. С 15 августа она выведена в Резерв Ставки ВГК, затем с 10 сентября включена в состав войск Воронежского фронта (с 20 октября – 1-й Украинский) и участвовала в Киевских наступательной и оборонительной, Житомирско-Бердичевской, Проскуровско-Черновицкой наступательных операциях. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 10.01.1944 полковник Н.Л. Михайлов награждён орд. Суворова 2-й ст. В июле бригада в составе 6-го гвардейского танкового корпуса 1-го Украинского фронта участвовала в Львовско-Сандомирской операции. В боях за г. Перемышль (Польша) полковник Н.Л. Михайлов погиб. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23.9.1944 за умелое управление частями бригады при прорыве обороны противника на львовском направлении, окружение и уничтожение бродской группировки противника и форсирование р. Сан ему было присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно). Награждён 2 орд. Ленина, 2 орд. Красного Знамени, орд. Суворова 2-й ст., Красной Звезды.
