Из обер-офицерских детей. Учился в малолетнем отделении Императорского воспитательного дома. 16.6.1859 после окончания Александровского Сиротского кадетского корпуса произведен в поручики с назначением в 3-й гренадерский стрелковый батальон и прикомандированием к Николаевской инженерной академии (действительная служба считалась с 16.6.1858 – времени перехода в 3-й специальный класс кадетского корпуса). 12.01.1861 отчислен от академии по высочайшему повелению с обойдением чином один раз. 20.4.1862 обойден чином. 5.1.1863 поступил на геодезическое отделение Николаевской академии Генерального штаба. По ходатайству начальника академии от 23.4.1863 наложенный штраф высочайше отменен. 13.5.1863 произведен в штабс-капитаны (со старшинством с 20.04.1862). 6.11.1864 произведен в капитаны за отличные успехи в науках. 15.12.1864 окончил академию с малой серебряной медалью и занесением имени на мраморную доску и отправлен в обсерваторию академии в Пулково. 9.11.1865 переведен в Генеральный штаб штабс-капитаном. 18.12.1866 причислен к Военно-топографическом отделу Главного штаба. 16.4.1867 произведен в капитаны. 14.1.1868 зачислен в штатное число офицеров Корпуса военных топографов. 20.4.1869 назначен начальником межевого отдела при хозяйственном правлении Оренбургского казачьего войска. 17.4.1870 произведен в подполковники. 23.4.1870 назначен состоять при Главном штабе. 26.4.1870 назначен в Военно-топографический отдел Главного штаба. 19.1.1873 назначен штаб-офицером для поручений при Военно-топографическом отделе Главного штаба. 8.4.1873 произведен в полковники за отличие по службе. 20.7.1873 назначен штаб-офицером, заведующим обучающимися в Николаевской академии Генерального штаба офицерами. 2.11.1876 назначен штаб-офицером над вожатыми в полевом штабе Действующей армии. Участник русско-турецкой войны 1877–1878 гг. 30.11.1877 назначен и. д. начальника Военно-топографического отдела полевого штаба Действующей армии. 14.10.1878 назначен штаб-офицером, наблюдающим за офицерами, обучающимися в Николаевской академии Генерального штаба. 10.11.1878 назначен редактором карт при Военно-топографическом отделе Главного штаба с оставлением в должности наблюдающего штаб-офицера. 15.5.1883 произведен в генерал-майоры за отличие по службе. 6.3.1886 назначен начальником Военно-топографического училища. 30.8.1894 произведен в генерал-лейтенанты. 28.3.1900 назначен членом конференции Николаевской инженерной академии с оставлением в должности. 13.2.1901 назначен членом Военно-ученого комитета Главного штаба сверх штата с оставлением в должностях. 11.3.1903 назначен начальником Военно-топографического отдела Главного штаба. 1.5.1903 начальником Военно-топографического управления Главного штаба. 25.6.1905 назначен начальником Военно-топографического управления Главного управления Генерального штаба. 6.12.1906 произведен в генералы от инфантерии за отличие по службе. 3.4.1911 назначен членом Военного совета. Являлся почетным членом Императорского русского географического общества (с 22.2.1917) и Русского астрономического общества (с 8.6.1909). 21.3.1918 уволен со службы с пенсией. Скончался в Петрограде, где и погребен. 16.9.2006 прах Н.Д, Артамонова и его супруги был перенесен на Пятницкое кладбище в Москве.

Жена: дочь статского советника Евгения Михайловна (урожденная Пчельникова). Дети: Николай (12.3.1872–28.10.1937), генерал-майор, Инна (род. 14.1.1874), Василий (род. 1878).