30 мая 1899 года приказом главного командира Черноморского флота назначен исполняющим должность ревизора крейсера «Память Меркурия».
В ноябре-декабре 1899 г. мичман Н. Матусевич в должности вахтенного офицера служил на крейсере «Россия» и на эскадренном броненосце «Сисой Великий».
В начале 1900 года в должности вахтенного офицера находился в заграничном плавании на броненосце «Сисой Великий» и крейсере «Разбойник».
11 июня 1900 года был назначен вахтенным начальником на эскадренный броненосец «Петропавловск», во время службы на котором он участвовал в июле-сентябре в штурме крепости Таку и 18—19 сентября в десанте на Шанхай для занятий оставленных китайцами фортов.
19 декабря 1900 года Николай Матусевич был назначен младшим штурманским офицером эскадренного броненосца «Петропавловск», на котором участвовал в перевозке войск, за что был награждён светло-бронзовой медалью «За поход в Китай».
5 октября 1902 года зачислен слушателем Гидрографического отделения Николаевской морской академии при Морском корпусе и 6 декабря того же года Высочайшим приказом произведен в чин лейтенанта.
8 июня 1904 года окончил академию по 1-му разряду с занесением его имени на мраморную доску и награждением двухлетним старшинством в чине, а 1 июля зачислен в штурманские офицеры 1-го разряда.
Однако после начала Русско-японской войны был назначен старшим штурманским офицером крейсера 2-го ранга «Терек», на котором участвовал в августе-октябре 1904 года в Атлантическом океане в досмотре судов на предмет нахождения на борту контрабанды, а затем присоединился к эскадре вице-адмирала Рожественского у острова Мадагаскар.
26 августа 1906 года назначен штурманским офицером крейсера «Память Меркурия».
13 ноября 1906 года был уволен в запас в чине капитана 2-го ранга. Во время нахождения в отставке окончил физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета.
6 июля 1909 года вернулся на службу в прежнем чине лейтенанта с переименованием в чин «штабс-капитан» и производством в чин капитана по адмиралтейству с зачислением во 2-й флотский экипаж и прикомандированием к Главному гидрографическому управлению. 17 июля того же года был прикомандирован к Главной николаевской астрономической обсерватории в Пулкове для усовершенствования в астрономии и высшей геодезии.
7 марта 1911 года Высочайшим приказом капитан Н. Н. Матусевич был назначен на должность начальника «Отдельной съемки Белого моря» и в 1911—1914 годах на транспорте «Мурман» и на портовом судне «Лейтенант Овцин» производил гидрографические работы в Белом море, руководил работами по изучению Карского моря и Мурманского побережья. В период между экспедициями офицерский состав экспедиции находился в Санкт-Петербурге и занимался написанием отчетов.
В 1912 году за заслуги в гидрографических исследованиях арктических морей был избран действительным членом Императорского Русского географического общества.
4 февраля 1913 года Высочайшим приказом Н. Н. Матусевич был зачислен в Корпус гидрографов флота, а 14 апреля того же года произведен в чин подполковника.
19 декабря 1913 года причислен к Главному гидрографическому управлению.
В январе 1915 года по инициативе командующего Балтийским флотом, адмирала Н. О. Эссена в Гельсингфорсе был открыт Штурманский офицерский класс, заведующим которым был назначен подполковник Н. Н. Матусевич.
10 апреля 1916 года Матусевич был произведен в чин полковника, а 17 октября 1917 года (уже Временным правительством) – в чин генерал-майора Корпуса гидрографов флота.
Занятия с последним набором Временного штурманского офицерского класса проводились с 1 декабря 1917 года по апрель 1918 года.
С 1916 по 1922 годы Н. Н. Матусевич руководил гидрографической экспедицией Белого моря, на период экспедиций отправляясь из Петрограда в Архангельск.
В 1923 году назначен начальником Отдельного северного гидрографического отряда, а в 1924 году – начальником Северной гидрографической экспедиции (СГЭ) Главного гидрографического управления Республики.
В 1931 году, после оставления должности начальника СГЭ, Н. Н. Матусевич становится профессором Военно-морской академии в Ленинграде с присвоением 31 мая 1936 года звания инженер-флагман 2-го ранга.
В 1935—1943 годах заведовал кафедрой гидрографии в Военно-морской академии, а в 1943—1945 годах – кафедрой кораблевождения.
22 декабря 1939 года Н. Н. Матусевичу было присвоено звание флагмана 1-го ранга, а после введения званий 4 июля 1940 года – звание генерал-лейтенанта береговой службы.
В 1943 году произведен в вице-адмиралы, а через год стал заслуженным деятелем науки и техники РСФСР.
В 1947 году избран вице-президентом Географического общества СССР. В том же году по возрасту вышел в отставку и до конца жизни продолжал преподавать геодезию в ВАММУ имени адмирала С. О. Макарова.
27 мая 1950 года Николай Николаевич умер в Ленинграде и был похоронен на Волковском православном кладбище.
Основные труды: «Мореходная астрономия» (1922), «Записки по теории картографических проекций» (1925), «Руководство по практической геодезии и астрономии» (1932), «Современные методы гидрографических работ открытого моря» (1940—1945).
Именем Н. Н. Матусевича назван один из заливов острова Октябрьской Революции в архипелаге Северная Земля и впадающая в него река, бухта и полуостров на архипелаге Новая Земля, залив на острове Греэм-Белл архипелага Земля Франца-Иосифа и ледник в Антарктиде.
В 1912 году по инициативе начальника Главного гидрографического управления А. И. Вилькицкого был учреждён особый Корпус гидрографов, учреждение которого юридически закрепило в Российском военном флоте специальность гидрографа.
Летом 1913 года из Петербурга во Владивосток на суда «Вайгач» и «Таймыр» ГЭСЛО пришел приказ: пройти весь Северный морской путь, пробившись через льды в Архангельск. Командиром «Вайгача» в походе был назначен капитан 2 ранга Петр Алексеевич Новопашенный (выпускник Морского корпуса 1902 года), а командиром «Таймыра» – капитан 2 ранга Борис Андреевич Вилькицкий (выпускник Морского корпуса 1904 года, сын А. И. Вилькицкого), ставший 20 июля, после оставления судна по болезни И. С. Сергеева, исполняющим обязанности начальника ГЭСЛО (И. С. Сергеев формально оставался начальником ГЭСЛО до 20 октября 1914 года).
Интересен факт, что, выпустившись из Морского корпуса в 1904 году, Борис Андреевич так же, как и выпускник 1894 года А. В. Колчак, принял участие в обороне Порт-Артура в период Русско-японской войны. Оба офицера после позорной сдачи Россией Порт-Артура попали в японский плен (отпущены в 1905 году), но, в отличие от попадавших в плен советских офицеров во время Великой Отечественной войны, это не помешало им потом сделать блестящие военные карьеры в царской России.
В ходе плаваний на ледокольных транспортах «Таймыр» и «Вайгач» были описаны значительные участки арктического побережья и многих островов, ряд которых был открыт впервые и нанесен на карту. Самым главным результатом экспедиции стало открытие 3 сентября (21 августа по старому стилю) 1913 г. острова (впоследствии архипелага) Земли Императора Николая II (члены экспедиции хотели назвать остров по первым слогам названий судов – Тайвай). 4 сентября 1913 года на мысе Берга был зачитан приказ начальника экспедиции о присоединении новых земель к России, в честь чего был дан торжественный салют (в 1926 г. архипелаг переименован в Северную Землю). Открытие архипелага стало последним крупным географическим открытием XX века.