Nicolai Dembowski erhielt seine musikalische Ausbildung zunächst als Jungstudent für Horn an der Hochschule für Musik, Theater und Medien Hannover sowie am Dr. Hoch’s Konservatorium Frankfurt. Anschließend folgte ein Bachelorstudium in Schulmusik, Klavier und Orchesterdirigieren an der Hochschule für Musik und Tanz Köln.
Während seiner Studienzeit arbeitete er regelmäßig mit der Philharmonie Südwestfalen zusammen. Weitere Dirigate führten ihn im Rahmen von Meisterkursen und Assistenzen u.a. zum Chor des Bayerischen Rundfunks und zum Wuppertaler Sinfonieorchester. Neben der klassischen Orchesterliteratur widmete er sich dabei ebenso intensiv der zeitgenössischen Musik. So präsentierte er im Februar 2025 mit großem Erfolg Hans Zenders komponierte Interpretation von Schuberts Winterreise, die er als interdisziplinäres Bachelorprojekt in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Zeitgenössischen Tanz Köln auf die Bühne brachte.
Zu Dembowskis jüngsten Kompositionen zählen ein Flügelhornkonzert, das im Juli 2025 durch die Philharmonie Südwestfalen uraufgeführt wurde, und das Orchesterwerk Carpe Diem, das 2026 seine Premiere mit dem Hochschulsinfonieorchester in der Stadthalle Wuppertal erleben wird. Zudem erhielt er den Auftrag zur Komposition eines Concerto Grosso für Sinfonieorchester und sinfonisches Blasorchester, das am 15. November 2025 beim Festkonzert anlässlich der Eröffnung des KulturForumBurscheid zur Uraufführung kam. Ausführende waren die Musicalische Academie Burscheid und der Orchesterverein Hilgen.
Nicolai Dembowski ist seit September 2021 künstlerischer Leiter und Dirigent der Musicalischen Academie von 1812 zu Burscheid.