Н. Б. Делоне — автор работ по теоретической механике и деталям машин, руководства по самостоятельному изучению высшей математики и механики, учебников и учебных пособий по механике, статей в специальных русских и иностранных периодических изданиях. В механике твердого тела с неподвижной точкой известен классический случай интегрируемости уравнений движения, носящий его имя. По примеру своего учителя Н. Е. Жуковского он увлекся планеризмом: в Киевском политехническом институте руководил студенческим воздухоплавательным кружком, выступил одним из основателей Киевского общества воздухоплавания; построил несколько планеров-бипланов, конструкция которых, оказавшаяся удачной, была изложена им в работе «Устройство дешевого и легкого планера и способы летания на нем». Его сын Б. Н. Делоне стал известным математиком, а внук Н. Б. Делоне-младший — одним из пионеров физики многофотонных процессов.