Né dans la ville d'Ozerki, gouvernement de Koursk, Empire russe. Artiste émérite de la RSFSR (1956). Artiste du peuple de la RSFSR (1970). Sur scène depuis 1920. En 1925, il termina l'école technique de théâtre de Moscou Anatoli Lounatcharski et, jusqu'en 1932, fut acteur dans diverses maisons d'activités amateurs. En 1932-1936, il fut acteur au théâtre du Conseil central des syndicats. En 1936-1941 et 1943-1959, il fut acteur au théâtre académique central de l'Armée soviétique. Bien que Nikolaï Sergueïev ait tourné pour la première fois au cinéma en 1937, débutant avec le rôle d'un commandant d'escadrille fasciste dans le film « Raid lointain », ce sont ses rôles de personnages âgés qui lui apportèrent la notoriété. Un rôle déterminant à cet égard fut celui du vieil ouvrier Basmanov dans le film d'Iossif Kheifits « La Grande Famille » (1954). Dans ce film, l'acteur fut remarqué par Mikhaïl Schweitzer, qui lui confia la création d'un personnage totalement opposé : celui du paysan avare Silanti Riachkine dans « Parents d'un autre monde » (1955).

À partir de ce moment, les principaux réalisateurs soviétiques commencèrent à inviter Nikolaï Sergueïev, et il quitta bientôt le théâtre pour le cinéma. Pendant plus de cinquante ans, Nikolaï Vassilievitch vécut un mariage heureux avec l'actrice Olga Vassilievna Dolgova, avec qui il travailla au théâtre central de l'Armée soviétique. Lorsque Sergueïev se mit à tourner activement et quitta le théâtre, elle le suivit, abandonnant sa profession, et consacra toute sa vie à s'occuper de son mari. Le couple n'eut pas d'enfants ; aussi, lorsque leur nièce Svetlana apparut dans leur foyer à la fin des années 1950, ils reportèrent sur elle tout leur amour et toute leur sollicitude. Il est enterré au cimetière Vagankovo (parcelle 26).