Родился 15 января 1936 года в Ленинграде. Окончил геолого-разведочный факультет (1957) Ленинградского горного института. Работал в экспедиции на Алтае (1957—1960), новосибирском Институте геологии и геофизики (1960—1980), хабаровском Институте тектоники и геофизики (1971 — 1972). Директор Геологического института в Улан-Удэ (1980-1988), председатель Президиума Бурятского научного центра СО АН СССР (1987-1988). Директор Института геологии и геофизики (1988—1990), генеральный директор Объединенного института геологии, геофизики и минералогии (ОИГГМ) СО РАН им. А.А. Трофимука (1990—2005), директор Института геологии ОИГГМ (1990-2006), директор-организатор Института геологии и минералогии СО РАН (с 2005). Первый заместитель председателя Президиума СО АН СССР — РАН (1990—1997), председатель Сибирского отделения РАН (с 1997), вице-президент РАН (с 1997).

Н.Л. Добрецову принадлежит выдающаяся роль в создании учения о метаморфических фациях и формациях; в обосновании месторождений полезных ископаемых, связанных с метаморфизмом; в разработке петрологических моделей офиолитовых комплексов земной коры; в исследованиях глубинной геодинамики и глобальных изменений природной среды и климата. Н.Л. Добрецов — основатель и лидер научной школы «Глобальная геодинамика и корреляция геологических процессов эволюции Земли».

В 1970-е годы Н.Л. Добрецов в соавторстве с академиком B.C. Соболевым и его учениками рассмотрел с принципиально новых позиций проблемы учения о метаморфических фациях и формациях и дал их новую классификацию. Достижения сибирской школы петрологов получили высокую оценку научного сообщества. Н.Л. Добрецов развивал также проблемы общей геологической теории и геотектоники. На основе теоретического анализа строения и развития Земли он рассмотрел глобальные процессы магматизма и метаморфизма как отражение общей гравитационно-геохимической дифференциации планеты. Предложил одну из первых классификаций офиолитовых комтексов. В 1980—1990-е годы совместно с коллегами обосновал модель двухслойной конвекции в мантии с активным влиянием мантийных струй, ставшей основой новой концепции в геологии. С начала 2000-х годов Н.Л. Добрецов участвует в выполнении крупных программ «Глобальные изменения природной среды и климата» и «Происхождение и эволюция биосферы».

В условиях реформирования России председатель СО РАН Н.Л. Добрецов продолжает развивать традиции академиков М.А. Лаврентьева, Г.И. Марчука, В.А. Коптюга. Под его руководством с 1997 года реализуется программа по развитию интеграционных исследований, совершенствованию территориальной сети НИУ, обновлению научного оборудования, поддержке молодежи и т. п. При активном участии Н.Л. Добрецова и институтов СО РАН разработана «Стратегия экономического развития Сибири» (2002), подготовлена ее обновленная редакция, а также концепция Федеральной целевой программы социально-экономического развития Сибири.

Н.Л. Добрецов ведет большую научно-организационную работу в составе Совета по науке и высоким технологиям при Президенте РФ (с 2001), Национального комитета по Международной геосферно-биосферной программе, других научных советов, редколлегий научных журналов. Первый вице-президент (2000—2002), президент (2002—2004), почетный президент (с 2004) Ассоциации академий наук Азии. Иностранный член ряда зарубежных академий наук, почетный доктор ряда зарубежных и российских университетов.

Лауреат Ленинской премии (1976), Государственной премии РФ (1997), премии Фонда им. академика В.И. Смирнова (1997), Общенациональной неправительственной Демидовской премии (1999), премии им. А.Н. Косыгина Российского союза товаропроизводителей (2003).

Награжден орденами Трудового Красного Знамени (1986), «За заслуги перед Отечеством» II степени (2007), Дружбы (КНР, 2006), медалью Академии наук Монголии (2006) и др.