Родился 16 декабря 1920 года в одном из аулов Казахстана (ныне Карабалыкский район Кустанайская области). Окончил сельскую школу. В апреле 1940 года добровольно вступил в ряды Красной Армии и был направлен в Чкаловскую (Оренбургскую) военную авиационную школу пилотов. Окончив её, служил в Средне-Азиатском военном округе: в 167-м ИАП (базировался на аэродроме близ посёлка Мары).

С 1 января 1943 года сержант Н. Д. Павельев в действующей армии. Воевал в составе 116-го ИАП, где прошёл путь от рядового пилота до заместителя командира эскадрильи. Боевую работу начал с 1 января 1943 года на Закавказском фронте (в составе 295-й ИАД, 5-й Воздушной армии), летая на И-16. 3 февраля 1943 года, при сопровождении на штурмовку группы И-153, в районе горы Колдун старший сержант Н. Д. Павельев в бою с Ме-109 был подбит, сам получил пулевое ранение в левую руку, но сумел довести самолёт до своего аэродрома и благополучно посадить его.

18 марта 1943 года полк был выведен с фронта на доукомплектование и переучивание. С 25 марта 1943 года в 4-м ЗИАП Московского военного округа (город Моршанск, Тамбовская область) переучивался на новую технику. С 24 мая 1943 года приступил к боевой работе на Юго-Западном фронте (в составе 295-й ИАД), летая уже на Ла-5.

6 июля 1943 года в воздушном бою был подбит (перебито рулевое управление), покинул падающий самолёт на парашюте в районе северо-восточнее Шебекино. 8 июля вернулся в полк и продолжил боевую работу.

7 августа 1943 года заместитель командира эскадрильи 116-го истребительного авиационного полка (295-я истребительная авиационная дивизия, 9-й смешанный авиационный корпус, 17-я Воздушная армия, Юго-Западный фронт) младший лейтенант Н. Д. Павельев не вернулся с боевого задания (числится пропавшим без вести). Всего совершил более 60 боевых вылетов, в воздушных боях сбил лично 7 самолётов противника.

Награждён орденами: Красного Знамени (30.07.1943), Отечественной войны 2-й степени (11.02.1943).