Nato a Parigi nel 1987, Niels proviene da una famiglia di attori e infatti ha avuto il suo primo contatto con il teatro accompagnando suo padre nel dietro le quinte degli spettacoli diretti da quest'ultimo. Nel 1996 si è trasferito in Québec, dove ha avuto le sue prime esperienze nel doppiaggio.[1]
Nel 2003 la sua vita è stata sconvolta dalla morte del fratello, Vadim, più vecchio di 16 mesi e tra gli interpreti principali della serie televisiva 15/Love. Nonostante questa perdita, Niels ha continuato ad interessarsi alla recitazione e ha ottenuto, dopo tre mesi, il ruolo di Harold nella rappresentazione teatrale Harold e Maude. Nell'anno seguente ha interpretato altri ruoli teatrali nelle rappresentazioni de Il processo di Kafka, Sette porte di Botho Strauss e Ma non andare in giro tutta nuda! di Georges Feydeau.
Nel 2008 ha ottenuto il suo primo ruolo cinematografico interpretando Sacha nel film Tout est parfait diretto da Yves-Christian Fournier. In seguito ha recitato in due film di Xavier Dolan, J'ai tué ma mère (2009) e Les Amours imaginaires (2010). La sua interpretazione in quest'ultimo film, nel quale interpreta uno dei tre protagonisti insieme a Monia Chokri e allo stesso Dolan, gli ha dato grande visibilità e gli ha fatto ottenere il Trofeo Chopard come rivelazione maschile dell'anno al Festival di Cannes 2011.
Dal 2018 ha una relazione con l'attrice e conduttrice Virginie Efira, incontrata nel 2017 sul set del film Un amore impossibile.[2] Il 28 agosto 2023 nasce il primo figlio della coppia.[3]