Николай Владимирович Фоменко родился 30 апреля 1962 года в Ленинграде в интеллигентной семье. Отец - Владимир Иванович Фоменко, знаменитый физик-метеоролог, член-корреспондент Российской академии наук. Учёного даже внесли в список выдающихся людей XX столетия Кембриджской энциклопедии. Мать - Галина Николаевна Фоменко (урождённая Фёдорова), по бабушке из дворян Скрыпициных, балерина, преподавала в училище имени А. Я. Вагановой. Из-за травмы мениска была вынуждена сменить профессию и стала инженером-строителем.
Николай учился в школе № 222, переквалифицированной в то время в Школу олимпийского резерва. Он был творческим ребёнком. Одновременно с учёбой занимался в музыкальной школе (класс скрипки), играл в симфоническом оркестре Ленинградского дворца пионеров на первой скрипке, посещал Театр юношеского творчества, увлекался горнолыжным спортом (получил звание мастера спорта). С 1991 по 2001 год играл в составе звёздной футбольной команды «Старко».
В школьные годы Фоменко был настоящим бунтарём. Молодому человеку даже отказывались выдавать аттестат: на выпускном вечере он исполнил две песни на английском языке. В то время это было строго запрещено. Документ в итоге выдали, но его забирал отец Николая.
У Фоменко был настоящий талант музыканта, поэтому родители настаивали на соответствующем образовании. Но Николай выбрал театральное училище, несмотря на то, что у него был речевой дефект (до юношеского возраста не выговаривал букву «р»). С такой проблемой сложно поступить в театральный вуз, но Фоменко это удалось. Избавившись от картавости, Николай окончил Ленинградский институт театра, музыки и кино в 1983 году.
В 1981 году произошла встреча Николая с Максимом Леонидовым и Дмитрием Рубиным, которая сильно повлияла на творческую биографию Фоменко и на историю отечественной музыки. Благодаря ей и появилась популярная советская рок-группа «Секрет». Уже первый альбом «Ты и я», выпущенный в 1984 году, принёс артистам всесоюзную славу. В 1987 году они получили главные роли в 2-серийном музыкальном фильме «Как стать звездой». Николай был автором музыки и слов ко многим песням группы. С начала 1990-х в музыкальном коллективе начались проблемы, в итоге «Секрет» распался. Впоследствии группа регулярно стала собираться для проведения юбилейных концертов.
В 1983 году Фоменко пригласили работать в престижный Александринский театр. Актёр одинаково хорошо играл и комические, и драматические роли. Театральная карьера Фоменко развивалась стремительно, актёр играл в Ленинградском театре драмы имени А. С. Пушкина, «Сатириконе», Театре на Литейном.
Кинокарьеру Николай начал в начале 1980-х годов. В то время в его фильмографии были только эпизодические роли в фильмах «Скорость» и «Анекдоты». Первую серьёзную роль Фоменко получил в картине «Сирота казанская». В фильмографии актёра более 40 киноработ. Из них: «Лунный папа», «Старые клячи», «Глянец», «Апостол», «Синяя роза», «На краю», «Полный вперед!» и другие.
С 1993 года Николай Фоменко стал жить и работать в Москве.
Параллельно развивалась и телевизионная карьера артиста. Николай с 1969 года успешно работает на телевидении во многих программах. В некоторых из них актёр одновременно выступает не только ведущим, но и автором сценария, режиссёром или продюсером. Например, «Утренняя почта», «Оба-на!», «МузОбоз», «50Х50», «Ночной актёрский клуб», «Русские гвозди», «Перехват», «Большие гонки», «Россия рулит», которые принесли популярность и любовь зрителей. На счету шоумена десятки авторских телепрограмм, которые он и создавал, и самостоятельно вел. Фоменко получил 3 премии «Овация» за телевизионные продукты.
Одно из самых известных увлечений шоумена — автомобильные гонки, которыми он начал заниматься в 1994 году. Фоменко участвовал в подготовке проекта «Гонки на выживание» и параллельно брал уроки у профессиональных гонщиков. Через 3 года Николай получил первую медаль за победу в шоссейно-кольцевых автогонках. В дальнейшем было ещё много побед и наград. Актёр получил звание чемпиона России, а также несколько международных призов.
В 2004 году шоумен проявил себя в журналистике. Фоменко стал главным редактором «Автопилота» и руководил автомобильным журналом до 2008-го года.
В 2007 году артист озвучил популярные компьютерные гонки Need For Speed: ProStreet, а также начал работать над русскоязычной версией телевизионной программы Top Gear. В этом же году основал собственную автомобильную компанию Marussia Motors («Маруся Моторс»), которая занялась выпуском спортивных автомобилей под брендом «Маруся» (Marussia). В апреле 2014 года проект Marussia Motors закрылся.
В 2009 году вышла в свет рок-опера Александра Градского «Мастер и Маргарита», где Фоменко исполнил партию Коровьева.
В 2016 году Николай, в детстве игравший на скрипке, подготовил большой концерт вместе со скрипачкой Анной Ким и аранжировщиком Феликсом Ильиных. В программе звучали классические произведения Вивальди, Баха и Чайковского.
С 2019 года Николай Фоменко сотрудничает с группой «КерамикА» и принимает участие в записи их песен.
В 2019 году Фоменко стал победителем 4-го сезона музыкальной телепередачи «Три аккорда».