Николай Сергеевич Плотников родился 23 октября (5 ноября) 1897 года в городе Вязьме (ныне Смоленская область).
В начале 1915 года Николай Плотников переехал в Москву, где поступил работать в типолитографию Машистова, где делал этикетки для конфет фабрики Г.Эйнема (ныне фабрика "Красный ОКтябрь") и фабрики Сиу (ныне "Большевик").
В 1916 году, весной, Николай Плотников был мобилизован в армию и направлен для учёбы в ефрейторскую школу в Ростов. После войны вернулся в литографию Машистова. В 1918—1920 занимался в театральной студии при МХАТ под руководством М.А.Чехова.
Свою творческую деятельность Плотников начал в 1920 году в труппе народного театра в Вязьме. С 1922 по 1934 гож работал в 4-й студии МХАТ, (в 1927 году 4-я студия МХАТ была преобразована в Реалестический театр). С 1934 по 1936 год играл в Московском театре Революции (ныне Московский Академический театр имени Маяковского).
С 1938 года Николай Плотников работал (с перерывами) в Московском Академическом драматическом театре имени Вахтангова. В 1945—1956 годах был режиссёром Театра киноактёра. В 1951—1953 годах был главным режиссёром театра группы советских войск в ГДР.
Николай Плотников занимался преподавательской деятельностью: вёл курс в ГИТИСе (1932—1951) (профессор с 1946 года), а также преподавал во ВГИКе (1937—1939) и актёрской школе киностудии "Мосфильм" (в 1935—1937)).
Николай Плотников скончался 2 февраля 1979 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 9).
Народный артист СССР.