Ο Νικόλαος Λιωνής κατέχει διδακτορικό δίπλωμα (Ph.D) στα Οικονομικά και τη Θεωρία Παιγνίων από το University of Bristol. Η διδακτορική του έρευνα, μέρος της οποίας πραγματοποιήθηκε στο University of Pittsburgh, υποστηρίχθηκε με υποτροφίες από το Economic and Social Research Council, το University of Bristol και το Ίδρυμα Βαρδινογιάννη. Είναι επίσης κάτοχος μεταπτυχιακού τίτλου σπουδών (M.Sc) στην Οικονομική και στη Χρηματοοικονομική Θεωρία από το University of Bristol, καθώς και διπλωμάτων (Certificate) στην Ανάλυση Δημόσιων Πολιτικών από το London School of Economics and Political Science και στην Τραπεζική και Χρηματοοικονομική Θεωρία από το London Guildhall University. Έχει ολοκληρώσει προπτυχιακές σπουδές Οικονομικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Αθηνών.
Έχει εργαστεί ως ερευνητής στο Τμήμα Οικονομικών Επιστημών του Ludwig Maximilians University of Munich, στο Τμήμα Οικονομικών Επιστημών και στο Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Πανεπιστημίου Αθηνών, στο Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεματικής του Χαροκόπειου Πανεπιστημίου, στον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης καθώς και ως υπεύθυνος έρευνας του Κέντρου Έρευνας Επενδύσεων και Τεχνολογίας του Παντείου Πανεπιστημίου, της Μονάδας Βιομηχανικής Οργάνωσης του Ιδρύματος Οικονομικών και Βιομηχανικών Ερευνών και του Ινστιτούτου Εναλλακτικών Πολιτικών ΕΝΑ. Από το 2003 είναι εξωτερικός συνεργάτης του Πανεπιστημίου Αθηνών όπου διδάσκει ανελλιπώς μεταπτυχιακά μαθήματα.
Παράλληλα, έχει σημαντική επαγγελματική εμπειρία έχοντας εργαστεί σε ανώτερες και ανώτατες διοικητικές θέσεις στο δημόσιο και στον ιδιωτικό τομέα, ως μέλος διοικητικού συμβουλίου και σύμβουλος διοίκησης μεγάλων εταιρειών καθώς και ως σύμβουλος στον Υπουργό Ενέργειας. Ειδικεύεται στο χώρο της Θεωρίας Παιγνίων και Στρατηγικής, της Βιομηχανικής Οργάνωσης και της Μικροοικονομικής Ανάλυσης και Πολιτικής.