Николай Николаевич родился в селе Георгиевское (ныне Калинино) Ливенского уезда Орловской губернии.
Он выходец из семьи потомственных священнослужителей. Поэтому в 9-летнем возрасте его отдали учиться в Ливенское духовное училище, а по его окончании – в Орловскую духовную семинарию. Николай был лучшим учеником, что позволило ему учиться в семинарии бесплатно. Но у него были другие интересы, его завораживал рев моторов и турбин, манило небо.
В 1911 году Поликарпов сдал экстерном экзамены за гимназический курс в Орловской губернской гимназии и поступил в Петербургский политехнический институт на механическое отделение кораблестроительного факультета. А затем увлекся авиацией, записался на авиационные курсы при своем факультете и поступил на второй факультет – авиации.
После окончания института в 1916 году Николай Поликарпов получил направление на авиационное отделение Русско-Балтийского вагонного завода – одного из крупнейших авиационных предприятий того времени. Главным конструктором завода был Игорь Иванович Сикорский, под руководством которого Поликарпов и делал свои первые шаги в самолетостроении.
По поручению Сикорского Н. Н. Поликарпов выполнил значительный объем конструкторских чертежей по новым самолетам С-18 и С-19, участвовал в проектировании модификаций серийных "Муромцев" и С-16. За два года совместной работы с Сикорским Поликарпов многому научился у этого величайшего авиаконструктора.
Революция положила конец творческому союзу двух талантливых конструкторов. Завод остановил производство самолетов, а Сикорский принял решение эмигрировать. Он звал с собой Поликарпова, обещая лучшие условия для роста, но тот отказался.
В марте 1918 года Поликарпов устроился работать во вновь созданном Управлении воздушного флота, где курировал производственную деятельность ряда авиационных заводов. Затем был направлен на завод «Дукс» начальником технического отдела. В январе 1925 года Н. Н. Поликарпов организовал на базе завода «АВИАХИМ» опытный конструкторский отдел. Через год был назначен начальником отдела сухопутного самолетостроения ЦКБ «Авиатреста».
А затем судьба успешного конструктора делает крутой поворот – 24 октября 1929 года он был арестован по обвинению в контрреволюционной деятельности и подрыве промышленности и был приговорен к высшей мере наказания. Более двух месяцев Поликарпов ждал расстрела. В декабре его без отмены или изменения приговора направили в «Особое конструкторское бюро» (ЦКБ-39 ОГПУ), организованное в Бутырской тюрьме, а затем переведенное на Московский авиазавод № 39 имени В. Р. Менжинского. Здесь совместно с авиаконструктором Д. П. Григоровичем в 1930 году он разработал истребитель И-5, который находился на вооружении девять лет. Коллегия ОГПУ своим постановлением от 18 марта 1931 года изменила приговор Поликарпову, заменив расстрел на десять лет лагерей.
После показа высшего пилотажа на И-5 под управлением В. П. Чкалова и А. Ф. Анисимова комиссии наркомата обороны и вооружения, в состав которой входили И. В. Сталин, К. Е. Ворошилов, С. В. Орджоникидзе, коллегия ОГПУ вновь изменила приговор в отношении Поликарпова – на условный. А 7 июля 1931 года Президиум ЦИК СССР принял решение об амнистии группы лиц, в том числе и Н. Н. Поликарпова.
Выйдя на свободу, Николай Николаевич был назначен заместителем начальника бригады в ЦКБ П. О. Сухого, а в 1933 году он возглавил конструкторскую бригаду № 2 Центрального конструкторского бюро на базе авиазавода № 39. В дальнейшем Поликарпов назначался главным конструктором авиазавода № 156 (1938 г.), техническим директором и главным конструктором Государственного завода № 1 (1939 г.), главным конструктором нового Государственного завода № 51.
За годы работы Николаем Поликарповым были сконструированы самолеты, вошедшие в историю отечественного и мирового самолетостроения. Самолет У-2 (учебный второй), переименованный в 1944 году, после смерти Поликарпова, в ПО-2 (Поликарпов второй), совершил свой первый полет 7 января 1928 года и просуществовал около 35 лет. За столь долгий срок службы в самолет неоднократно вносились изменения, но все модификации сохраняли его характерные черты. Долговечность У-2 – свидетельство его совершенства. Он создавался как учебный самолет, был партой для тысяч пилотов, но использовался и как санитарный самолет, и как лимузин, и как ночной бомбардировщик Великой Отечественной войны. Военная версия У-2 начала создаваться еще в 30-е годы. К ней вернулись в начале войны: с конца 1941 года начали выпускать легкий ночной бомбардировщик. Под его фюзеляжем и нижним крылом были установлены сбрасыватели для бомб, а в кабине наблюдателя – пулемет. На этих самолетах советские летчики по ночам бомбили блиндажи, склады, окопы противника, вели воздушную разведку, доставляли партизанам оружие, медикаменты, личный состав. У-2 входили в вооружение ряда авиационных полков, в том числе знаменитого Таманского женского полка, награжденного орденами Красного Знамени и Суворова, 16 раз удостоенного благодарности Верховного главнокомандующего И. В. Сталина. 23-м наиболее отличившимся летчицам полка было присвоено звание Героев Советского Союза. Среди них — наши землячки Антонина Худякова и Марина Чечнева.
Конструкция У-2 была деревянная – из сосны и фанеры, с полотняной обшивкой и узлами из мягкой стали. Фашисты называли его «русс фанер», но до самого окончания войны так и не смогли найти действенных методов борьбы с этим бомбардировщиком. Простой и надежный, У-2 пользовался любовью летного и технического состава. За долгие годы службы о нем было сложено немало легенд и песен. К примеру, рассказывают, что Валерий Чкалов пролетел на У-2 между деревьями, расстояние между которыми было меньше размаха крыльев. Чтобы не зацепиться за деревья, летчик поставил самолет ребром, продемонстрировав не только свое виртуозное мастерство, но и великолепные пилотажные качества самолета.
В 1933–1938 годы большинство истребителей было спроектировано и выпущено КБ, которым руководил Поликарпов. Бипланная система была представлена его самолетами И-15, И-152, И-153, а монопланная – самолетами И-16 и И-17.
И-15 был очень легким, хорошо управляемым самолетом, обладавшим поразительной способностью устойчиво держаться в воздухе. Он и его модификации применялись в боях в Испании, Китае, у озера Хасан, на реке Халхин-Гол, на фронтах Великой Отечественной войны до конца 1942 года. И-16 наши соратники любили и называли «мушкой», а враги боялись, прозвав «крысой». Подвижный, агрессивный, этот истребитель оказывал бесценную помощь во время войны в Испании – на нем летали и наши земляки В. М. Бочаров и И. Н. Аникеев, войны с Финляндией, вооруженных конфликтов на Халхин-Голе и Хасане. Не подводил «ястребок» и во время Великой Отечественной войны, порой превосходя более современные и мощные немецкие «мессеры». Этот истребитель положил начало целой эпохе в самолетостроении. В работе над ним наиболее полно и ярко раскрылся конструкторский талант Н. Н. Поликарпова. И-16 получил мировое признание, а практически каждая из 24 его модификаций имела новшества, поражавшие и восхищавшие весь авиационный мир.
Н. Н. Поликарпов сконструировал множество других замечательных самолетов. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 28 октября 1940 года за выдающиеся достижения в области создания новых типов вооружения, поднимающих оборонную мощь Советского Союза, Поликарпову Николаю Николаевичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот». Также ему была присвоена степень доктора технических наук без защиты диссертации, он был награжден орденами Ленина, Красной Звезды, избирался депутатом Верховного Совета СССР, стал лауреатом Сталинской премии.
Николай Николаевич похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище. Память об этом выдающемся человеке бережно сохраняется его земляками. В краеведческих музеях Орла и Ливен представлены подлинные вещи Поликарпова, переданные его дочерью Марианной Николаевной. В 1958 году в Орле был установлен памятник Н. Н. Поликарпову работы скульптора Г. И. Кипинова, а в 1985 году в Ливнах поставили бронзовый бюст авиаконструктора работы Ю. Ю. Орехова.