Дважды Герой Социалистического Труда (12.07.1957, 23.06.1981), конструктор авиационных и ракетных двигателей, генерал-лейтенант инженерно-авиационной службы (1968). Член-корреспондент АН СССР (1968), действительный член АН СССР (1974). Доктор технических наук, профессор (1960), почётный доктор Самарского государственного аэрокосмического университета имени С.П.Королева.
Родился 23 (10 — ст.ст.) июня 1911 года в городе Актюбинске Тургайской области Российской империи (ныне город Актобе Республики Казахстан) в семье рабочего-котельщика на железной дороге и домохозяйки. Русский.
В 1923 году семья переехала на родину отца в село Семёновское Серпуховского уезда Московской губернии. Учился в школе крестьянской молодёжи, которую окончил в 1930 году. С мая 1930 года работал трактористом в колхозе «Маяк» Серпуховского района. В декабре 1930 года поступил на вечернее отделение Московского авиационного техникума имени Н.Н.Годовикова. В 1931 году перевёлся на вечернее отделение техникума, днём работал слесарем-сборщиком авиамоторного завода № 24 в Москве, с июня 1932 года — нормировщиком слесарно-сборочного цеха авиационного завода № 32 в Москве.
В январе 1933 года поступил на воздушно-технический факультет моторостроительного отделения Военно-воздушной инженерной академии имени Н.Е.Жуковского. Академию окончил с отличием в 1938 году, тема дипломного проекта: «Мотор четырёхтактный, карбюраторный, 28-цилиндровый с 4-рядной звездой, воздушным охлаждением, мощностью 1500 л.с. при 3400 об/мин на высоте 6000 м с двухскоростным приводным центробежным нагнетателем». Оставлен в адъюнктуре академии. Член ВКП(б)/КПСС с апреля 1939 года, был избран парторгом кафедры. В апреле 1941 года блестяще защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук.
В начале Великой Отечественной войны оставлен в академии, преподаватель курсов переподготовки авиационных техников запаса, в октябре 1941 года эвакуирован с академией в Свердловск. В период с июля по сентябрь 1942 года — на фронте Великой Отечественной войны, старший инженер 239-й истребительной дивизии 6-й воздушной армии на Северо-Западном фронте (в порядке стажировки).
В октябре 1942 года отозван с фронта и назначен парторгом ЦК ВКП(б) в Особое конструкторское бюро на Уфимском авиационном заводе № 26, возглавляемое главным конструкторов В.Я.Климовым. Сумел найти общий язык с главным конструктором, известным своим непростым характером, более того — наряду с организаторской работой активно включился в решение технических проблем и быстро добился заметных результатов. В сентябре 1943 года по ходатайству В.Я.Климова назначен первым заместителем главного конструктора в этом же конструкторском бюро. С 1 июля 1946 года — в должности главного конструктора ОКБ авиационного завода №29 в Уфе.
С 1949 года — главный конструктор (с 1956 — генеральный конструктор) Государственного союзного опытного завода №2 по разработке и производству опытных реактивных двигателей в Куйбышеве (ныне Самарский научно-технический комплекс имени Н.Д.Кузнецова).
Под его руководством было создано 57 типов оригинальных и модифицированных газотурбинных двигателей для самолётов различного назначения (в том числе для Ту-114, Ту-154, Ан-22, Ил-62, Ту-144) и экранопланов, жидкостных реактивных двигателей для ракетно-космических комплексов (в том числе для лунной программы Советского Союза), а также двигателей для привода нагнетателей газоперекачивающих агрегатов и электрогенераторов, в том числе: РД-12, РД-14, РД-20, «028», «003С», «018», Р-130 («032»), «012», газовая турбина ГТ-30, газотурбинный двигатель ТВ-022 и его модификация ТВ-2, НК-4, НК-14А, первый отечественный двухконтурный двигатель НК-6, НК-8, НК-12, НК-22, НК-25, НК-26, НК-32, НК-34, НК-44, НК-56, НК-62, НК-64, НК-86, НК-93, НК-104, НК-105А, НК-110, НК-114, НК-144, НК-321, НК-12СТ, НК-16СТ, НК-17, НК-18СТ, НК-36СТ, НК-37, модернизированный двигатель НК-38СТ и НК-40СТ и многие другие.
Большое внимание уделял надёжности двигателей. Последние 15 лет жизни являлся председателем научного Совета по надёжности АН СССР (АН РФ).
Также являлся заведующим кафедрой конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов (1969-1978), научным руководителем отраслевой научно-исследовательской лаборатории в Куйбышевском авиационном институте имени С.П.Королева (ныне Самарский государственный аэрокосмический университет).
Депутат Верховного Совета РСФСР в период с 1963 по 1990 год, делегат XIX, XXII, XXIII, XXIV, XXV, XXVI, XXVII съездов КПСС.
Лауреат Ленинской премии (1956), лауреат премии Совета Министров СССР (1984).
Жил в Москве. Умер 31 июля 1995 года. Похоронен на Кунцевском кладбище в Москве (участок 9-2).
Награждён 5 орденами Ленина (12.07.1957, 22.07.1961, 26.03.1979, 23.06.1981), орденами Октябрьской Революции (25.03.1974), Красного Знамени (30.04.1954), 2 орденами Отечественной войны 1-й степени (2.07.1945, 11.03.1985), 2 орденами Красной Звезды (30.12.1943, 1948), медалями.
Почётный гражданин города Куйбышев (с 1991 — Самара, 17.06.1982). На пересечении улиц Победы и Ново-Вокзальной в Самаре в сквере установлен бронзовый бюст (1982).
В его честь названы Самарский научно-технических комплекс (ранее Государственный союзный опытный завод № 2, Завод № 276, Куйбышевский моторный завод, Куйбышевское научно-производственное объединение «Труд»), серия двигателей «НК» (Николай Кузнецов), стратегический бомбардировщик Ту-160 с бортовым номером 10, МОУ Вечерняя сменная общеобразовательная школа № 10 Самары.
В посёлке городского типа Управленческий Красноглинского района Самары, на доме № 2 по улице Симферопольской, где жил Н.Д.Кузнецов, 31 июля 2001 года открыта мемориальная доска. 25 июня 2001 года там же торжественно открыт памятник. Авторы памятника — архитектор Н.А.Красько, скульптор М.К.Аникушин. 19 июня 2001 года улица Производственная переименована в улицу имени Академика Н.Д.Кузнецова.