Родился 23 апреля (5 мая) 1899 года в городе Санкт-Петербург (Россия), в семье конторского служащего. Русский. Учился в частном реальном училище, но из-за финансовых проблем в 1914 году по окончании 4-го класса бросил обучение, а в 1915 году получил работу технического секретаря у частного поверенного. Учился на вечерних общеобразовательных курсах и сдал экзамены экстерном за среднее учебное заведение в 1917 году. После Октябрьской революции работал в банке.
В РККА с 1918 года.
Окончил 2-е Петроградские командные артиллерийские курсы (учился с марта по сентябрь 1918 года).
В сентябре 1918 года был назначен в запасный мортирный артиллерийский дивизион Петрограда командиром взвода 2-й гаубичной батареи, которая в составе войск 15-й армии принимала участие в боях с войсками генерала Юденича в районе Пскова.
Участвовал в советско-польской войне с апреля 1920 года в составе 83-го стрелкового полка 10-й стрелковой дивизии 16-й армии.
17 августа 1920 года во время боя в селе Юзефов при взрыве снаряда получил тяжёлую контузию. Очнувшись, он обнаружил, что белополяки заняли село, а рядом с ним находится красноармеец из его батареи. Боец помог командиру подняться и сесть в седло, и они попытались пробраться к своим, однако по ошибке ночью попали в расположение противника. Из-за контузии, не мог управлять конём и попал в плен. Во время плена перенёс воспаление лёгких, рожистое воспаление лица, тиф, и дважды ему грозила ампутация ног.
После заключения мира, через 8 месяцев пребывания в плену, в апреле 1921 года был репатриирован в РСФСР, долго лечился в госпитале.
После выздоровления командовал батареей во 2-й стрелковой дивизии, летом 1922 года был назначен командиром гаубичной батареи 27-й Омской стрелковой дивизии.
Окончил Высшую артиллерийскую школу комсостава (учился с осени 1923 года по 1924 год).
Продолжил служить в 27-й Омской стрелковой дивизии, был сначала заместителем, а потом и командиром лёгкого учебного артиллерийского дивизиона.
Окончил Военную академию имени М. В. Фрунзе (учился с 1927 года по май 1930 года).
В 1930 году был назначен командиром артиллерийского полка 1-й Московской Пролетарской дивизии, некоторое время был начальником артиллерии дивизии.
В августе 1932 года в составе советской военной миссии был направлен в Италию на войсковые манёвры.
В апреле 1934 года был назначен начальником и военкомом 1-й артиллерийской школы им. Красного Октября в Ленинграде, основанной на базе 2-х Петроградских командных артиллерийских курсов.
В 1935 году во второй раз выезжал в Италию в составе советской военной миссии.
11 ноября 1935 года ему было присвоено воинское звание «комбриг».
Участвовал в национально-революционной войне в Испании с октября 1936 года по июнь 1937 года в качестве старшего военного советника по артиллерии при руководстве силами республиканцев, занимался вопросами координации действий, обучения, снабжения артиллерийских частей Мадридского фронта.
Имел псевдоним «Коронель Вольтер».
20 июня 1937 года присвоено внеочередное воинское звание «комкор».
Назначен начальником артиллерии РККА.
В конце июля 1938 года выезжал в составе специальной комиссии Наркомата Обороны в район боёв у озера Хасан, с целью проверки боевой подготовки войск Дальневосточного военного округа.
Участвовал в боях в районе реки Халхин-Гол с июня 1939 года, руководил артиллерией 1-й армейской группы войск.
Участвовал в освободительном походе Красной Армии в Западную Беларусь осенью 1939 года, занимался координацией действий артиллерии Белорусского военного округа. При поездке в Западную Украину, чтобы посмотреть ход событий в походе войск Киевского военного округа, попал в автомобильную катастрофу - получил сотрясение мозга, надлом четырёх рёбер и множественные повреждения желудочно-кишечного тракта.
После лечения был направлен в Ленинградский военный округ.
Участвовал в советско-финляндской войне 1939-1940 годов, руководил артиллерийскими частями, в основном, 7-й армии.
22 марта 1940 года ему было присвоено звание командарма 2-го ранга.
4 июня 1940 года присвоено звание генерал-полковника артиллерии.
Участвовал в освободительном походе в Бессарабию и Северную Буковину в июне 1940 года, осуществлял контроль над действиями артиллерии Киевского особого военного округа.
13 июля 1940 года был назначен на должность первого заместителя начальника Главного артиллерийского управления по боевой подготовке.
19 июня 1941 года был переведён на должность начальника Главного управления ПВО.
Участвовал в Великой Отечественной войне с 22 июня 1941 года. Занимался усилением ПВО Москвы, развёртыванием резервных частей для противовоздушной обороны важных объектов и налаживанием взаимодействия войск ПВО и ВВС.
19 июля 1941 года был назначен на восстановленный пост начальника артиллерии РККА, а также стал заместителем наркома обороны.
В качестве представителя Ставки принимал участие в оборонительной Ельнинской операции с 20 июля по 5 августа 1941 года, занимался организацией действий противотанковой артиллерии.
Трижды в 1941 году выезжал в Ленинград по вопросам управления войсками: в конце августа в середине сентября, с середины октября и по 5 декабря.
В 1942 году принимал участие в подготовке и проведении наступательных операций на левом фланге Западного фронта, в июле 1942 года – в проведении оборонительных действий на подступах к Сталинграду.
В середине августа 1942 года, вместе с другими официальными лицами, представлял СССР на консультационных переговорах с английской военной делегацией, состоявшихся в рамках визита Уинстона Черчилля в Москву.
В сентябре 1942 года принимал участие в боях на Юго-Западном, Сталинградском и Донском фронтах. С 16 по 19 декабря 1942 года занимался координацией артиллерии частей Юго-Западного и Воронежского фронтов, а 19 декабря 1942 года был откомандирован на Донской фронт для помощи в разработке и осуществлении операции по ликвидации Сталинградской группировки немецких войск. Руководимые им силы ПВО фронта осуществляли воздушную блокаду окружённой группировки противника.
18 января 1943 года присвоено высшее воинское звание «Маршал артиллерии».
В начале февраля 1943 года был откомандирован на Северо-Западный фронт, с целью оказания помощи в подготовке и проведении 2-й Демянской наступательной операции.
С мая по июнь 1943 года контролировал формирование первых пяти артиллерийских корпусов прорыва, а с 5 июля выполнял роль представителя Ставки при командующем Брянским фронтом, а также проверял подготовку артиллерии фронта к проведению Курской операции.
3 августа был откомандирован на Западный фронт, для контроля за подготовкой и проведением Смоленской наступательной операции.
30 августа по приказу Ставки был направлен с проверкой в войска Калининского фронта.
С 20 октября координировал действия 1-го и 2-го Прибалтийского, а также Западного фронтов.
В начале 1944 года по состоянию здоровья вынужден был сложить с себя полномочия представителя Ставки и вернуться в Москву для лечения. Затем руководил секретной переброской боеприпасов, средств артиллерийского снабжения и орудий особой мощности в войска Дальневосточного фронта.
21 февраля 1944 года присвоено воинское звание «Главный маршал артиллерии».
В общей сложности за годы Великой Отечественной войны был представителем Ставки ВГК на Ленинградском и Волховском, Юго-3ападном и Донском, Воронежском и Брянском, Северо-Западном, Западном и Калининском, 3-м Украинском и 1-м Белорусском фронтах.
В 1950 году был освобождён от занимаемой должности, а затем был назначен на пост президента Академии артиллерийских наук.
В 1953 году, в связи с прекращением существования Академии, был назначен на должность начальника Военно-артиллерийской командной академии в Ленинграде.
С октября 1958 года служил в составе Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР.
Занимался научной и литературной деятельностью, в том числе написал книги:
«Советская артиллерия в Великой Отечественной войне», Москва, 1946;
«На службе военной», Москва, Воениздат, 1962;
«Полководцы и военачальники Великой Отечественной войны».
Проживал в городе Москва (Россия).
23 февраля 1968 года был прооперирован в связи с обнаружением злокачественной опухоли, а 28 февраля скончался, не приходя в сознание. Похоронен у Кремлёвской стены в Москве.
7 мая 1965 года Главном маршалу артиллерии Николаю Николаевичу Воронову, в связи с 20-летием Победы в Великой Отечественной войне, было присвоено звание Героя Советского Союза (медаль «Золотая Звезда» № 10682).
Награжден шестью орденами Ленина (03.01.1937,* 21.03.1940,** 21.02.1945,*** 05.05.1949,**** 04.05.1959,***** 07.05.1965******) орденом Октябрьской Революции (02.03.1968), четырьмя орденами Красного Знамени (21.06.1937,******* 17.11.1939,******** 03.11.1944,********* 24.06.1948**********), тремя орденам Суворова 1-й степени (28.01.1943,*********** 29.07.1944************ 18.11.1944*************), орденом Красной Звезды************** (16.08.1936), медалями «ХХ лет РККА» (1938), «За оборону Ленинграда», «За оборону Москвы», «За оборону Сталинграда», «За победу над Германией», «За победу над Японией», «В память 800-летия Москвы», «В память 250-летия Ленинграда», «30 лет Советской Армии и Флота», «40 лет Вооружённых Сил СССР», медаль «50 лет Вооружённых Сил СССР» и другими, а также иностранными наградами: орденом Сухэ-Батора (МНР), орденом Красного Знамени (МНР), орденом Партизанской Звезды 1-й степени (СФРЮ), орденом Национального освобождения (СФРЮ), орденом «Крест Грюнвальда» 1-й степени (ПНР), орденом Возрождения Польши (ПНР).
Примечания:
* Орден имел порядковый № 3386.
** Орден имел порядковый № 5184.
*** Орден имел порядковый № 23443.
**** Орден имел порядковый № 94578.
***** Орден имел порядковый № 370049.
****** Орден имел порядковый № 342633.
******* Орден имел порядковый № 878.
******** Орден имел порядковый № 203/"2".
********* Орден имел порядковый № 1326/"3".
********** Орден имел порядковый № 1094/"4".
*********** Орден имел порядковый № 3.
************ Орден имел порядковый № 190.
************* Орден имел порядковый № 240.
************** Орден имел порядковый № 1294.