Окончил курсы при Центральном институте труда, работал слесарем на строительстве Бобриковского химкомбината, занимался журналистикой и писал научно-популярные книги.
Был задержан при попытке покончить с собой в гостинице для иностранцев (позже рассказал жене, что ему почудилось, что город захватили фашисты, и он не хотел отдаться им живым), помещён в психиатрическую больницу имени Кащенко. Затем был выписан из больницы, но его психическое состояние ухудшилось[1].
28 октября 1935 года покончил жизнь самоубийством, бросившись с балкона 6-го этажа. Похоронен на Новодевичьем кладбище. На его смерть Борис Пастернак написал стихотворение «Безвременно умершему»[2].
Самолёт. — Шаблон:М: ОГИЗ; Молодая гвардия, 1931. — 16 с. — Рис. Л. Жолткевич.
В телевизионном сериале «Дело следователя Никитина» (2012) расследование причин смерти Николая Дементьева составляет одну из главных сюжетных линий.[3]