Ученый в области строительной механики и мостостроения. Около 1873 года стал профессором Петроградского института инженеров путей сообщения. С 1892 года – член Инженерного совета при Министерстве путей сообщения. С 1912 года – президент Международного общества по разработке методов испытания вяжущих веществ, металлов и других материалов.

Документы о научной деятельности Н.А. Белелюбского: статьи, доклады, брошюры, отчеты о заграничных командировках, об участии в международных конференциях и конгрессах по мостостроению; переписка о программах конференций и конгрессов Международного общества по разработке методов испытания вяжущих веществ, металлов и других материалов; протоколы заседаний комиссий Общества (на русском, немецком и французском яз., 1884–1916 гг.).

Документы о служебной деятельности Н.А. Белелюбского: пояснительные записки к проектам и расчеты железных мостов в России; инструкции для освидетельствования железных мостов, доклады о ходе работ по сооружению моста через р. Волгу Оренбургской железной дороги (1880 г.); сметы на замену малых балочных мостов железными; переписка с Главным обществом Российских железных дорог, Обществом Юго-Западных железных дорог, крупнейшими русскими и иностранными фирмами об испытаниях строительных материалов и строительстве мостов; предложения разных фирм о поставке приборов для испытания материалов и др. (1873–1916 гг.); рабочие журналы и дневники постройки железнодорожного моста через р. Мсту в Боровичах (1902–1905 гг.); акты осмотра и журналы заседаний Комиссии по строительству и перестройке мостов через р. Днепр у г. Киева (1916–1918 гг.).

Чертежи мостов и надземных сооружений (1881–1916 гг.); в т.ч., чертежи проекта разводного пролета Дворцового моста через р. Неву (1913 г.).