В 1932 вернулся в Россию; жил в Москве и Ленинграде. Писал фантастические пейзажи, символические и сказочные композиции, портреты. Автор живописных произведений: «Пираты» (1948), «Рай», «Девушка и разбойник» (обе — 1950-е), «Пигмалион и Галатея» (1960); серии работ на темы цирка (1930-е) и других. Произведения 1930–60-х близки эстетике примитивного искусства: для них характерны подчеркнутая театрализация, яркость колорита, включение в композиции экзотических мотивов, стилизации в духе восточного искусства. При этом художник прибегал к сложной классической технике многослойной живописи с лессировками.

Для заработка работал художником-реставратором в объединении «Всекохудожник», Музее политкаторжан в Москве, реставратором в Эрмитаже, художником на Монетном дворе в Ленинграде. Занимался иллюстрированием детских книг.

В 1934 был арестован за антисоветские высказывания, приговорен к пяти годам исправительно-трудовых работ и направлен для отбывания наказания в Пятигорск; там оформлял санаторий НКВД.

В начале Великой Отечественной войны призван на военную службу, но как «нестроевик» направлен для работы художником агитпункта в Коврове.

В 1948 переехал в Саратов. Преподавал черчение на кафедре архитектуры Автодорожного института.

Похоронен на Воскресенском кладбище в Саратове.

Творчеству Мамонтова посвящена монография И. Г. Деветьяровой «Николай Мамонтов: очерк жизни и творчества художника, 1898–1964» (Омск, 1998).

В 2008 в Третьяковской галерее состоялась ретроспективная выставка его работ «Сны пилигрима».

Произведения находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Омском областном музее изобразительных искусств им. М. А. Врубеля, Саратовском художественном музее им. А. Н. Радищева, Картинной галерее им. К. С. Петрова-Водкина в Хвалынске.