Родился 11 декабря 1964 года в селе Малые Канивцы Чернобаевского района Черкасской области.

С 1983 по 1985 год служил в Афганистане. «Когда я вернулся из армии, то думал написать книгу под названием «Мы были добрыми оккупантами». Собирался осветить два момента, которые никто раньше не исследовал. Прежде всего, психологические изменения в сознании человека, который в восемнадцать лет попал на войну, а в двадцать вернулся к мирной жизни. Вторая часть на примере афганской войны должна была бы объяснить сущность Советского Союза и его армии. Но началась горбачевская перестройка, и эту идею я отложил», – рассказывает Николай Владимирович.

В 1989 году Николай Томенко окончил исторический факультет Киевского университета им.Т.Шевченко. Был комсоргом университета, затем стал инициатором преобразования комсомольской организации в Ассоциацию молодежных организаций КГУ, которую он же и возглавил. В 1989 году Николай Владимирович был членом оргкомитета по проведению учредительного съезда НРУ. Говорят, что именно Томенко на одном из комсомольских собраний столицы выступил против тогдашнего первого секретаря ЦК КПУ Владимира Щербицкого.

После университета Николай Владимирович окончил аспирантуру при Киевском государственном университете, работал заведующим кафедрой политических наук Института государственного управления и самоуправления при Кабинете Министров Украины.

В 1993-1994 годах он – заместитель начальника информационно-аналитического отдела управления Министерства Украины по делам национальностей и миграции. Занимался исследовательской и преподавательской деятельностью. Был директором Института политики и Института посткоммунистического общества, заведовал кафедрой политологии Национального университета «Киево-Могилянская академия».

В марте 1998 года Николай Томенко был выдвинут кандидатом в народные депутаты по партийному списку партии «Реформы и порядок» (№15). Однако партия парламентские выборы проиграла.

В 2000 году Николай Томенко пришел в команду киевского мэра Александра Омельченко, возглавив Главное управление печати и информации столичной госадминистрации. В марте 2001 года Николай Владимирович ушел из власти, откликнувшись на призыв Леонида Кучмы к оппозиционерам определиться, с кем они хотят быть – с властью или с оппозицией. К слову, Николай Томенко едва ли не единственный чиновник, отрекшийся тогда от своей должности.

На парламентских выборах 2002 года Томенко получил депутатский мандат по списку блока «Наша Украина» (№62). В ходе парламентской кампании 2002 года он был одним из тех, кто формировал идеологию избирательной кампании блока. Еще накануне объявления результатов избирательной гонки Николай Владимирович заявил, что согласно его политологическим прогнозам, он получит депутатский мандат, хотя и является №62 в списке. А если нет, на нем, как на политологе, можно будет поставить крест. Прогноз Николая Томенко, к удивлению его коллег-политологов, сбылся. Он попал в парламент, став членом фракции «Наша Украина» и возглавил парламентский комитет по вопросам свободы слова и информации.

Довольно упорно оппонировал представителям СДПУ(о) и Леониду Кучме. Леонида Даниловича Томенко называл своим «институционным оппонентом».

Во время президентской избирательной кампании 2004 года Николай Владимирович – доверенное лицо Виктора Ющенко. Был членом Комитета национального спасения.

4 февраля 2005 года назначен вице-прмьер-министром по гуманитарным вопросам. 8 сентября этого же года подал в отставку с этой должности по собственному желанию «поскольку не хотел освобождаться вместе с олигархической командой секретаря Совета национальной безопасности Украины Петра Порошенко». Томенко был одним из тех, на отставке которого настаивал президент Ющенко в обмен на увольнение ближайших своих соратников.

В ноябре 2005 года покинул партию «Реформы и порядок».

На парламентских выборах 2006 года Николай Томенко баллотировался по списку блока Юлии Тимошенко (№3). Кроме того, Николай Владимирович возглавлял партийный список БЮТ в Киевсовет.

С июля 2006 года – глава парламентского комитета по вопросам семьи, молодежной политики, спорта и туризма.

8 февраля 2007 года избран заместителем председателя Верховной Рады Украины.

В 2006 году в «Топ-100» самых влиятельных людей Украины, которых ежегодно определяет журнал «Корреспондент», Николай Томенко занял 68 позицию.

На выборах 2007 года депутатский мандат получил по списку БЮТ (№3).

В 2007 году в «Топ-100» самых влиятельных людей Украины журнала «Корреспондент» Томенко занял 40-ю позицию.

Со 2 сентября 2008 года Николай Томенко занимает должность заместителя председателя Верховной Рады Украины.