Вскоре Варенцов был избран на пост директора САТПТ. Однако внезапная смерть Кудрина в 1888 г. крайне тяжело сказалась на делах Товарищества. Сложное финансовое положение, необходимость внесения изменений в устав САТПТ, частая сменяемость директоров привели к тому, что конкуренты сильно потеснили Товарищество, работа в нем перестала удовлетворять и Варенцова, поэтому он с радостью согласился на предложение Н. А. Найденова перейти на работу в возглавляемое им МТПТ.
В мае 1889 г. Варенцов был избран директором МТПТ по комиссионной торговле хлопком, шерстью и каракулем. В том же 1889 г. на Нижегородской ярмарке он сумел вести на равных конкурентную борьбу с авторитетными московскими оптовиками хлопка С. Ю. Ерзиным и О. М. Вогау и комиссионером-монополистом по шерсти — торговым домом «Шагазиев, Зыбин и Шимко». У Варенцова сложились тесные партнерские отношения со среднеазиатскими баями и купцами, искавшими надежных посредников для поставок хлопка по новому пути (железной дороге Чарджоу — Красноводск и далее пароходами по Каспию и Волге). Ему, как солидному поставщику сырья, оказал доверие сам владелец Никольской мануфактуры Т. С. Морозов, до того времени не имевший дел с МТПТ. Успеху коммерческой деятельности Варенцова способствовали его длительные деловые поездки по Средней Азии, личное знакомство с эмиром Бухары, туркестанским генерал-губернатором, высшими чиновниками администрации и местным купечеством.
В конце 1880-х гг. МТПТ взяло под свой контроль ряд промышленных предприятий, которым грозило полное разорение. На грани банкротства было и учрежденное в 1882 г. Товарищество мануфактур Н. Разоренова и М. Кормилицына в Кинешме. Новый директорат, состоящий из предпринимателей «найденовского клана» (И. Г. Простяков, И. И. Казаков и др.), в который с 1889 г. входил и Н. А. Варенцов, в короткий срок выправил положение дел на фабриках кинешемского предприятия, и в первый же год нового правления фирма получила доход в 100 тысяч рублей.
В 1905 г. Варенцов оставил работу в МТПТ и стал председателем правления Товарищества мануфактур Н. Разоренова и М. Кормилицына. (В 1907 г. оно было преобразовано в Товарищество Большой Кинешемской мануфактуры с основным капиталом в 2 млн 400 тысяч рублей.) На этом посту он оставался вплоть до 1918 г. Во время его правления Большая Кинешемская мануфактура превратилась в процветающее предприятие, на котором работало до 4 тысяч человек. В сферу его предпринимательских интересов к 1913 г. попадает и промышленность строительных материалов: он становится, вместе с дочерью Ниной Николаевной Лист (урожд. Варенцовой) и своим шурином А. Н. Найденовым соучредителем Товарищества по обработке камня «Н. Н. Лист и Ко», торгующего под фирмой «Георгий Лист».
Предпринимательской деятельности автора мемуаров был свойствен широкий размах. Он искал не только собственную выгоду, умел видеть проблемы развития отечественной промышленности в целом. Во многом благодаря его усилиям на российских текстильных предприятиях стали широко использовать хлопок из Туркестанского края взамен привозного — американского, египетского и индийского. Варенцов принимал участие в ряде общественных начинаний: был гласным Московской городской думы, попечителем частной женской гимназии в Москве, активным членом Дамского попечительства о тюрьмах, в состав которого входили видные представители городской администрации, духовенства и купечества. Н. А. Варенцов имел и награды: орден Св. Станислава 3-й степени и золотую Бухарскую звезду 1-й степени.
В деловых кругах Варенцов имел репутацию честного, справедливого и отзывчивого человека. Интересный случай, относящийся к голодным 20-м годам, описывает в своих воспоминаниях сын Николая Александровича, Андрей: приближалась Пасха, а «дома ничего не было, и достать было трудно. И вдруг вечером в Страстную пятницу приходит к отцу пожилой человек, представляется и говорит: «Николай Александрович, когда-то Вы меня выручили деньгами и я Вам их не отдал. А вот теперь я получил большую посылку от АРА (кажется, так называлось общество, доставлявшее сюда продовольственные посылки). Думаю, что Вы нуждаетесь, и вот решил хотя бы часть долга отдать Вам продуктами». Там, помню, оказались мука, сахар, масло и еще что-то много».
С начала своей деловой карьеры Варенцов становится московским домовладельцем, а затем и помещиком. Ему принадлежали комплекс доходных домов под № 4 на Старой Басманной улице (снесены в 1930-х гг.) и имение Бутово под Москвой. В 1889 г. он приобрел усадьбу в Токмаковом переулке (ныне здесь располагается Общество купцов и предпринимателей России). Однако спокойствие в этом доме длилось недолго, в середине 1890-х гг. начинается полоса тяжелых душевных переживаний. Около 1896 г. он расходится с М. Н. Найденовой, матерью его пятерых детей. Старший сын Сергей и дочери Нина и Мария уехали с матерью, а Марк и Лев остались с отцом. Позже Мария Николаевна вышла замуж за присяжного поверенного В. А. Александрова, а Н. А. Варенцов женился на Ольге Флорентьевне Перловой, происходившей из семьи известных московских чаеторговцев.