Зерновы были москвичами, а не петербуржцами-западниками. Николай родился в семье, прочно связанной с Церковью и в то же время вовлеченной в социально-каритативную работу. Его дед, протоиерей Стефан Зернов (1817-1886), происходил из наследственного сельского духовенства, вырос в среднерусской деревне, в большой бедности, но затем стал одним из известных московских приходских священников; он активно занимался благотворительностью, поддерживал дружеские отношения с великим митрополитом Московским Филаретом. Знаменательна, что жизнь о. Стефана во многом предвосхищала направление деятельности его внука. О. Стефан интересовался вопросами церковного воссоединения, особенно в отношении Церкви Англии, в то время, когда в России этому мало уделяли внимания. Митрополит Филарет приглашал его для участия во встречах с иностранными гостями, и так о. Стефан познакомился с деканом Стэнли, с которым говорил преимущественно на латыни. О. Стефан страдал болезнью сердца и умер практически во время совершения литургии, сразу после того, как причастился Святых Даров. Хотя врач и не советовал ему служить, он чувствовал, что евхаристия — это главное. Таким же было убеждение Николая.

Отец Николая Михаил (1857-1938).был одним из ведущих московских врачей и заметной фигурой в обществе. Помимо широкой частной практики, он основал бесплатный санаторий, который прежде всего был предназначен для бедствующих писателей. Он разрабатывал практические схемы социальных реформ. Михаил Степанович был нетипичной фигурой: принадлежа к либерально-прогрессивной — хотя и не революционной — интеллигенции, одновременно сохранял религиозность, оставаясь практикующим членом Православной церкви. Николай унаследовал от отца практичность, однако обратил ее в иное направление. Мать Николая София (урожденная Кеслер; 1865-1942) до замужества была учительницей; женщина с сильным характером, она посвятила свой педагогический талант воспитанию своих детей и оказала заметное интеллектуальное влияние на Николая. Позднее, во время подготовки им докторской диссертации в Оксфорде, она помогала ему разбирать латинские тексты.

Николай Михайлович родился в Москве 9 октября (по старому стилю) 1898 г. Он был старшим из четверых детей. Это была счастливая и дружная семья, и дети всю жизнь поддерживали между собой близкие отношения. Обе сестры участвовали в каритативной и культурной деятельности: София, или Соня, (1899-1972) основала православный детский дом в Монжероне около Парижа, а Мария (1902-1965), вышедшая замуж за Г. Г. Кульмана, была основательницей и директором Пушкинского клуба в Лондоне. Самый младший Владимир (род.1904), переживший своего брата, пошел по стопам отца и стал врачом.

Дома дети росли в религиозной атмосфере, постоянно посещая церковь и соблюдая посты. В 1917 г. Николай поступил в Московский университет на медицинский факультет, хотя окончательный выбор карьеры тогда был ему еще не ясен. Через два месяца его учеба прервалась: после прихода к власти коммунистов вся семья уехала на Кавказ.