Понад 25 років життя Микола Гавриленко присвятив роботі в Полтавському краєзнавчому музеї. За словами письменника П. П. Ротача «Полтавський музей був для Миколи Івановича часткою душі, без якої вона не мала б духовної завершеності».
Микола Гавриленко був членом багатьох наукових товариств і комітетів: Полтавського товариства любителів природи, Українського наукового Товариства дослідування і охорони пам’яток старовини та мистецтва на Полтавщині, Московського і Харківського товариств дослідників природи, дійсним членом Всесоюзного товариства орнітологів, членом-кореспондентом Всеукраїнського археологічного комітету та інших.
У вересні 1943 р. Микола Іванович разом з іншими музейними працівниками, ризикуючи життям, рятував із пожежі експонати та бібліотеку музею. Після визволення Полтави працював заступником директора з наукової частини і завідувачем відділу природи. За короткий час Микола Гавриленко поклав початок музею післявоєнного періоду, був ініціатором його відродження. Наприкінці 1946 р. М. І. Гавриленко припинив свою роботу в музеї.
Помер Микола Гавриленко 14 січня 1971 р. у м. Полтаві, похований на Новоміському кладовищі поряд із могилами дружини Ганни Федорівни (1903–1971) і сина Олега (1933–1976).
Наукова спадщина вченого нараховує близько 70 праць та унікальну колекцію тушок птахів Лівобережної України (понад п’ять тис. екземплярів), більша частина якої зберігається у Музеї природи Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна.
У Полтавському краєзнавчому музеї імені Василя Кричевського створено іменний фонд науковця. Музейне зібрання, що стосується персоналії, нараховує понад 150 одиниць. До його складу увійшло 29 тушок і три опудала птахів з орнітологічної колекції вченого, епістолярна спадщина (листування з видатними натуралістами В. І. Вернадським, М. О. Мензбіром, Л. С. Бергом, хіміком і орнітологом В. М. Зубаровським), наукові праці, рукописи, спогади учнів, фототека. До Вашої уваги пропонується віртуальна виставка «Микола Гавриленко (1889–1971): музейник, зоолог, природодослідник», створена на матеріалах, що зберігаються у Полтавському краєзнавчому музеї імені Василя Кричевського.
