Н. З. Бирюков родился 1 февраля 1912 год в г. Орехово-Зуево, ныне Московской области, в большой семье рабочего-текстильщика. В 1919 году, когда фабрика, где работал отец Коли, остановилась, семья переехала в Поволжье, на нижне-сызранские луга. События Гражданской войны, страшнейшая засуха 1921 года прошли здесь перед глазами будущего писателя. Впечатления этих лет нашли впоследствии своё отражение в романе «На хуторах» 1938 года.
В 1922 году Бирюковы возвращаются в Орехово-Зуево, и здесь 10-летний Николай вместе с группой своих товарищей участвует в организации одного из первых в СССР пионерских отрядов. В 1925 году он вступает в комсомол и начинает работать на фабрике, совмещая производственную работу с активной комсомольской. Большое впечатление на будущего писателя произвело выступление И. В. Сталина с призывом овладевать наукой и специальными знаниями на VIII съезде ВЛКСМ в 1928 году. До 1931 года учился в ФЗУ текстильного комбината, на московском рабфаке имени М. И. Калинина и в строительном техникуме.
Осенью 1930 года Н. З. Бирюков работал на строительстве одного из корпусов Дулёвского завода. Неожиданно в котлован хлынула подпочвенная вода. Ликвидируя аварию, молодые комсомольцы работали в ледяной воде. Вскоре после этого Н. З. Бирюков заболел и в 18 лет остался навсегда прикованным к постели, сохранив лишь подвижность рук. В публикациях того времени сообщалось о разоблачении и наказании «врачей-преступников», принадлежавших к троцкистско-зиновьевской оппозиции, которые якобы умышленно не оказали комсомольцу-активисту необходимой помощи.
В 1931 году Н. З. Бирюков решил заняться писательством, не зная ещё о Николае Островском. В 1932 году на всесоюзном конкурсе молодых поэтов ему была присуждена вторая премия за стихотворение «Побед не счесть !». В 1936—1940 годах молодой писатель заочно учился в Литературном институте имени А. М. Горького, одновременно занимаясь в институте иностранных языков. В 1938 году в журнале «Октябрь» опубликован его первый роман «На хуторах».
В годы Великой Отечественной войны автор пишет рассказы и очерки о героизме и мужестве советских людей. Многие из них, «Перед дыханием смерти», «Дисциплина сердца», «Русские глаза», «Песнь в лесу» и др., получили широкое распространение. Осенью 1942 года он начинает писать роман «Чайка» о Лизе Чайкиной. Книга вышла в начале 1945 года и снискала огромную популярность, в том числе и на фронте. Роман был переведён на многие языки народов СССР, а также издан в социалистических странах восточной Европы.
В 1949 году был опубликован новый роман писателя «Воды Нарына» о строительстве Большого Ферганского канала имени И. В. Сталина. Для того, чтобы написать эту книгу, ему пришлось в специальной коляске объездить чуть ли не всю Среднюю Азию. В романе в духе того времени показана народность стройки, её огромное значение для социалистического переустройства экономики, быта и культуры народов Средней Азии; показана руководящая роль Коммунистической партии, поднимающей народ на решение задачи преобразования природы. Летом 1951 года Н. З. Бирюков вновь едет в творческую командировку. Писатель побывал на заводе «Красное Сормово», ГАЗ имени В. М. Молотова, на строительстве Куйбышевской ГЭС. В результате этой поездки написана книга очерков «На мирной земле» 1952 года. В 1959 году Н. З. Бирюков пишет историко-революционный роман «Сквозь вихри враждебные».
Последние 10 лет жизни провёл в Крыму. Умер в Симферополе 31 января 1966 года.
