Николай Младенов започва работа в областта на интеграцията и хуманитарните програми преди 11 години – доста встрани от специалността си. Началото е посветено на разработването на проекти, финансирани от ЕС, във фондация „Отворено общество” - София, а след това продължава в Световната банка в областта на образованието, социалното подпомагане и здравеопазването. На 19 април 1999 г. Николай Младенов става директор и основател, заедно със Станислав Димитров, на Европейския институт в България.

През август 2005 г., като консултант на Международния републикански институт, заминава за Египет, където изготвя анализ на подготовката и провеждането на президентските избори. Страстта му към горещите точки не утихва, защото през май 2006 г. работи като съветник към парламента на Афганистан. През юни 2006 г. е в Бахрейн по поръчка на Националния демократичен институт на Съединените щати, където консултира подготовката на парламентарните избори. След това до декември е съветник на комисиите по отбрана и външна политика към парламента на Ирак. Последната точка от горещите райони на света е Йемен, където разработва стратегия за подпомагане на развитието на политическите партии.

Евродепутат от квотата на ГЕРБ при изборите през 2007 г. Избран е за министър на отбраната от 41-то Народно събрание на Република България на 27 юли 2009 г. На 27.01.2010 година е назначен за министър на външните работи.