Н. А. Бернштейн родился 24 октября (5 ноября) 1896 года, а в 1901 году Александра Карловна родила второго сына - Сергея. После этого мать оставила работу, целиком посвятив себя воспитанию сыновей. Александр Николаевич также много времени уделял детям. Семья была очень дружной. В дом приходили интересные люди. Темы разговоров были самые разные: медицина, психика человека, социальные проблемы, искусство, музыка. Неудивительно, что братья в детстве отличались широтой интересов. Как и все мальчишки того времени, они буквально бредили железной дорогой, ездили на "паровозное кладбище", где Николай изучал устройство паровозов и вагонов, делал зарисовки. Дома из деталей детского конструктора оба строили модели разных машин, мостов и даже Эйфелевой башни. Это увлечение сохранилось и в зрелом возрасте. Сергей стал инженером-мостостроителем, а впоследствии заведовал кафедрой строительной механики в Академии бронетанковых войск. Для Николая мосты были своего рода хобби, хотя он посвятил им ряд статей в научно-популярной литературе (см. "Наука и жизнь" № 5, 1965 г.; № 2, 1966 г.).

Мать старалась привить детям интерес к музыке и языкам. Николай свободно играл на рояле с листа, был поклонником А. Н. Скрябина. Он окончил Медведниковскую гимназию с расширенным курсом естественных наук и математики. В ней также обучали французскому, немецкому, английскому языкам, латыни. Дома Николай и Сергей дополнительно занимались языками с частным преподавателем. Позднее, в студенческие годы, Николай изучил польский и итальянский языки.

В 1914 году Николай поступил на историко-филологический факультет Московского университета. Но не успел приступить к занятиям - началась Первая мировая война. Он пошел работать санитаром в московский лазарет, а затем перешел на медицинский факультет. После окончания университета был направлен врачом в части, воевавшие против Колчака.

В 1921 году, после окончания Гражданской войны, Николай Бернштейн демобилизовался из армии и начал работать сразу в двух клиниках: в одной - психиатром, в другой - отоларингологом. В том же 1921 году в Москве был создан Центральный институт труда (ЦИТ). Его директором назначили А. К. Гастева, энтузиаста научной организации труда, поэта и романтика (в разгар сталинского террора 1938-1941 годов он сгинул в лагерях). Директор поставил перед сотрудниками задачу разработать теорию управления движениями человека - биомеханику.

Гастев писал: "Первая наша задача состоит в том, чтобы заняться той великолепной машиной, которая нам близка, - человеческим организмом. Эта машина обладает роскошью механики - автоматизмом и быстротой включения. Ее ли не изучать? В человеческом организме есть мотор, "передача", амортизаторы, есть тончайшие регуляторы и даже манометры. Все это требует изучения и использования. Должна быть особая наука - биомеханика. Эта наука может и не быть узко "трудовой", она должна граничить со спортом, где движения сильны, ловки и в то же время воздушно легки, артистичны".

Создать основы этой науки, которая теперь обязательно используется при разработке систем тренировок людей самых разных профессий - от шофера до космонавта, было суждено молодому врачу Николаю Александровичу Бернштейну.

В 1922 году ему предложили работу в отделе научных изысканий ЦИТа, в биомеханической лаборатории. Н. А. Бернштейн занялся разработкой общих основ биомеханики и уже к 1924 году подготовил к изданию обширный труд "Общая биомеханика". Николай Александрович разработал метод циклографии с использованием кинокамеры, который позволял подробно зафиксировать все фазы движения. В том же году Н. А. Бернштейн возглавил биомеханическую лабораторию и принял участие в работе первой международной конференции по научной организации труда в Праге, где сделал доклад об изысканиях в области физиологии труда.

Методика циклограмметрических исследований с использованием фото- и кинотехники, примененная Н. А. Бернштейном в ЦИТе, помогала найти наиболее рациональные способы обучения рабочих. Циклограмметрические данные получали с помощью рапидной киносъемки (100-200 кадров в секунду) и последующих высокоточных измерений. Погрешность измерения мгновенных положений движущихся частей тела идущего или бегущего человека составляла 0,5 мм. Говоря современным языком, он создал фазовыйпортрет движений, который затем можно было анализировать.

С помощью циклограмм ученому удалось по-новому организовать тренировки спортсменов. Проанализировав технику бега тогдашнего мирового рекордсмена Жюля Лядумега из Франции, Н. А. Бернштейн в 1934 году помог братьям Георгию и Серафиму Знаменским значительно улучшить результаты.

Применил свою методику Н. А. Бернштейн и для изучения игры на фортепиано. Он изготовил циклограммы движений пальцев 14 крупных советских и зарубежных пианистов, в том числе Константина Игумнова, Генриха Нейгауза и Эгона Петри. Разумеется, Бернштейн не вторгался в эмоциональную сферу исполнения, а результаты исследований остались просто как иллюстрации совершенной техники движения рук блестящих музыкантов.

Все эти научные материалы легли в основу руководства "Техника изучения движений", составленного его помощниками Г. С. Поповой и З. Н. Могилевской.

Следует напомнить, что в те годы термин "биомеханика" стали употреблять и в театральном искусстве. В. Э. Мейерхольд предлагал строить актерскую игру по аналогии с трудовыми процессами, в которых нужно умело чередовать нагрузку и отдых. Режиссер ставил перед актером задачу изучать законы движения, механику своего тела, что, по его мнению, помогало не допускать лишних, непроизвольных движений. Но никакой набор прекрасно отработанных жестов не может заменить внутреннее эмоциональное состояние актера. Это противоречило взглядам Н. А. Бернштейна, который не посягал на исследование с помощью своей методики манеры и стиля игры исполнителей. Никоим образом не умаляя выдающегося вклада В. Э. Мейерхольда в театральное искусство, нужно отметить, что его "биомеханика" не имела ни малейшего отношения к научному направлению, которое разрабатывал Н. А. Бернштейн.