Ξεκίνησε την καριέρα του ως βοηθός διευθυντής ορχήστρας  στο Εθνικό Θέατρο (όπερα) του Μάνχαϊμ (Mannheim National Theatre). Στα επόμενα χρόνια υπήρξε διευθυντής ορχήστρας όπερας στα θέατρα του Pforzheim, του Ulm και του Darmstadt όπου εμπλούτισε την εμπειρία του και  το ρεπερτόριό του έχοντας διευθύνει περισσότερες από εβδομήντα (70) όπερες. 

Το 1990 προσλήφθηκε ως Γενικός Μουσικός Διευθυντής της Φιλαρμονικής Ορχήστρας στην Φρανκφούρτη της πρώην Ανατολικής Γερμανίας (Frankfurt Oder). Με αυτήν την ορχήστρα αφομοίωσε ένα ευρύ ρεπερτόριο συμφωνικής μουσικής ενώ πραγματοποίησε σειρά περιοδειών τόσο στην Γερμανία, με παραστάσεις στο Βερολίνο, την Κολωνία, την Βόννη, τη Βρέμη κλπ όσο και στο εξωτερικό (Λετονία το 1992, Ισραήλ το 1993, Ρωσία το 1994 και 1996, Ισπανία το 1996, 1997, 1998 και 1999, Γαλλία και Ολλανδία το 1998, Βέλγιο το 1999) με εμφανίσεις σε μεγάλα μουσικά κέντρα όπως η Μόσχα, η Μαδρίτη, το Παρίσι, το Άμστερνταμ, η Χάγη, το Τελ Αβίβ κλπ. Επιπλέον, με αυτήν την ορχήστρα, πραγματοποίησε ηχογραφήσεις  μια σειράς CDs μερικά από τα οποία έλαβαν διεθνή βραβεία και επαίνους. Κάτω από τη διεύθυνσή του, η ορχήστρα αυτή εξελίχθηκε στην κύρια συμφωνική ορχήστρα του Βρανδεμβούργου, αναβαθμίστηκε και ονομάστηκε Κρατική Ορχήστρα του Βρανδεμβούργου της Φρανκφούρτης του Όντερ   (Brandenburgisches Staatsorchester Frankfurt). 

Το Μάϊο του 2000 ανέλαβε ως ο πρώτος Καλλιτεχνικός Διευθυντής του νεοσύστατου Μεγάρου Μουσικής της Θεσσαλονίκης. Εκεί, σε ένα διάστημα μιας δεκαετίας, παρουσίασε ένα αξιομνημόνευτο έργο με πολύπλευρο πρόγραμμα το οποίο περιελάμβανε όπερα, μπαλέτο, συμφωνική μουσική, έντεχνη ελληνική μουσική, εκπαιδευτικά προγράμματα και παραστάσεις αναδεικνύοντάς το σε κέντρο παραγωγής πολιτιστικών δρώμενων διεθνούς ακτινοβολίας.

Στα χρόνια που έχει την ευθύνη της καλλιτεχνικής διεύθυνσης του Μεγάρου Μουσικής Θεσσαλονίκης, έχει «ανεβάσει» - και διευθύνει τις περισσότερες από αυτές - όπερες όπως Traviata,  Carmen, Rigoleto, Madama Butterfly, Cavaleria Rustigana, Οι γάμοι του Φίγκαρο, Απαγωγή από το Σεράϊ, το χορόδραμα Ρωμαίος & Ιουλιέτα του Prokofiev κ.α.

Επίσης ανέβασε και διηύθυνε πρωτοποριακά έργα όπως του War Requiem του Benjamin Britten ή το METROPOLIS του Fritz Lang (βωβός κινηματογράφος με «ζωντανή» μουσική από ορχήστρα καθώς και άλλα μεγάλα έργα όπως την Missa Solemnis του L. van Beethoven, τα κατά Ματθαίον Πάθη και την Μεγάλη Λειτουργία σε σι ελ. του  J. S. Bach.

Σαν προσκεκλημένος αρχιμουσικός έχει διευθύνει μέχρι σήμερα πολλές μεγάλες ευρωπαϊκές ορχήστρες, όπως την Philharmonia Orchestra του Λονδίνου, με την οποία εμφανίσθηκε το 1989 στο Ηρώδειο σε δύο συναυλίες στα πλαίσια του Φεστιβάλ Αθηνών, την Royal Philharmonic Orchestra του Λονδίνου, την English Chamber Orchestra, την Ορχήστρα της Όπερας της Φρανκφούρτης, την Συμφωνική Ορχήστρα του Μονάχου, την Συμφωνική Ορχήστρα του Αμβούργου, την Sinfonia Varsovia, την Ορχήστρα Gustav Mahler της Πράγας, την Φιλαρμονική Ορχήστρα της Σόφιας, την Εθνική Συμφωνική Ορχήστρα της Βουλγαρικής Ραδιοφωνίας και πολλές άλλες, συμπράττοντας με μεγάλους σολίστες (Mstislav Rostropovich, Αγνή Μπάλτσα, Misha Maiski, David Garet, Lars Vogt, Kolja Blacher κλπ)

Έχει επίσης επανειλημμένα συνεργασθεί με όλες τις σημαντικές ελληνικές ορχήστρες, όπως με την Κρατική Ορχήστρα Αθηνών, την Κρατική Ορχήστρα Θεσσαλονίκης, με την Εθνική Συμφωνική Ορχήστρα της ΕΡΤ, την Ορχήστρα της ΕΛΣ, την Καμεράτα Αθηνών, την Συμφωνική Ορχήστρα Αθηνών, την Συμφωνική Ορχήστρα Θεσσαλονίκης και την Ορχήστρα Πατρών.

1994: Δύο διαδοχικές συναυλίες στο Poznan της Πολωνίας και στην Φρανκφούρτη του Όντερ στα πλαίσια της ανάπτυξης φιλικών σχέσεων Γερμανίας – Πολωνίας μετά την πτώση του τείχους, με την 8η Συμφωνία του Gustav Mahler («Συμφωνία των χιλίων») και τη σύμπραξη των ορχηστρών των δύο πόλεων, δύο μεγάλων χορωδιών (Βερολίνου και Poznan) και την παιδική χορωδία του Poznan (650 άτομα, συνολικά, επί σκηνής)

2001 : Gala Concert με τη συμμετοχή της Αγνής Μπάλτσα στο θέατρο Alte Oper της Φρανκφούρτης για το άνοιγμα της Έκθεσης Βιβλίου του 2001 (Frankfurt Book Fair 2001) αφιερωμένης στην Ελλάδα.

2002 : Συναυλία που δόθηκε στη Χρυσή Αίθουσα του Συλλόγου Φίλων Μουσικής στη Βιέννη το 2002, επ’ ευκαιρία της ανάληψης της Προεδρίας της Ευρωπαϊκής Ένωσης από την Ελλάδα,  επί κεφαλής της Κρατικής Ορχήστρας Αθηνών με σολίστ την Αγνή Μπάλτσα. Για τη συναυλία αυτή, που υπήρξε και η πρώτη έξοδος της Κρατικής Ορχήστρας Αθηνών εκτός Ελλάδος, προτάθηκε  για το μεγάλο βραβείο της Ενώσεως Κριτικών Μουσικής και Θεάτρου.

2007 : Συναυλία με  την Ορχήστρα του Πεκίνου, την Αγνή Μπάλτσα και τον Βαγγέλη Χατζησίμο για την έναρξη του Πολιτιστικού Έτους της Ελλάδας που προηγήθηκε των Ολυμπιακών Αγώνων (Πεκίνο 2008).

2009 : Βραβείο του Διεθνούς Μουσικού Σωματείου "Gina Bahauer" για το σύνολο της προσφοράς του στα μουσικά δρώμενα της χώρας.

Παράλληλα με την καριέρα του ως διευθυντής ορχήστρας, ο Νίκος Αθηναίος έχει παρουσιάσει ένα αξιόλογο συνθετικό έργο. Στα κυριότερα έργα του συμπεριλαμβάνονται: "6 μικρά κομμάτια" για πιάνο (1973-74), η "Τοκάτα" (1976) για πιάνο, το "Νονέτο" για κουαρτέτο εγχόρδων και 5 πνευστά (1976),  η "Συμφωνία σε ένα μέρος" (1978), η "Σουίτα για ορχήστρα εγχόρδων" (1976/ β' γραφή 2010), η "Ιθάκη", κύκλος 6 τραγουδιών σε ποίηση Κ. Καβάφη για σοπράνο, βαρύτονο και μεγάλη συμφωνική ορχήστρα (2004-2006), ο "Κύκλος Ελύτη", για σοπράνο και μεγάλη συμφωνική ορχήστρα (2011), "Concerto" για ορχήστρα, Τέσσερα τραγούδια σε ποίηση Γιώργου Σεφέρη από το "Θερινό Ηλιοστάσι" (2022-2024), Νυχτερινή μουσική για φλάουτο και πιάνο (Δεκέμβριος 2024) 

Ο Νίκος Αθηναίος υπήρξε Διευθυντής του Ωδείου Αθηνών μέχρι τον Ιούλιο του 2023. Σήμερα είναι ο Καλλιτεχνικός Διευθυντής και αρχιμουσικός της Ορχήστρας  Collegium Musicum Αθηνών ενώ συνεχίζει να εμφανίζεται, ως προσκεκλημένος μαέστρος, με σημαντικές ορχήστρες της Ελλάδος και του Εξωτερικού.