Николай Губенко родился 17 августа 1941 года в катакомбах Одессы, во время бомбежки. Отец был военным летчиком, бортмехаником бомбардировщика ТБ-3. Погиб в бою под Ворошиловградом в 1942 году. До Великой Отечественной войны мать работала главным конструктором Одесского крекинг-завода и была повешена в 1942 году за отказ сотрудничать с немецкими оккупантами. У Николая было три сестры и брат. По окончании войны с 1947 жил и учился в детском доме № 5 в Одессе. Затем был переведен в Суворовское училище с углубленным изучением английского языка, стал играть в театральном кружке. По окончании училища поступил в театральную студию при Доме актера.

В 1958 году, по окончании театральной студии, его единственного зачислили в труппу вспомогательного состава Одесского театра юного зрителя, где он играл небольшие эпизодические роли и в массовке. В начале 1960-х годов переехал в Москву и поступил на актерский факультет Всесоюзного государственного института кинематографии (курс Сергея Герасимова и Тамары Макаровой), который окончил 1964 году, и был принят в труппу Театра на Таганке. Однокурсница по ВГИКу актриса Жанна Болотова в конце 1960-х годов стала его женой. В 1962 году сыграл главную роль в спектакле объединенной мастерской ВГИКа "Карьера Артура Уи" по пьесе Б. Брехта.

Дебютировал в кино ролью в фильме "Застава Ильича", вышедшем в 1964 году. Первый актерский успех пришел после главной роли в дипломном спектакле "Карьера Артура Уи" по Брехту.

В 1970 году окончил режиссерский факультет ВГИКа, снял шесть полнометражных художественных фильмов и один короткометражный.

В 1977-1978-х годах читал лекции по кинорежиссуре на Высших курсах сценаристов и режиссеров.

В 1964-1968 годах и с 1980-х годов - актер Театра на Таганке, в 1987-1991 годах - главный режиссер театра.

После возвращения Юрия Любимова часть коллектива призывает Губенко остаться художественным руководителем театра. В 1993 году становится руководителем театра "Содружество актеров Таганки", разместившегося в новом здании.

Являлся членом КПСС с 1987 года, на XXVIII съезде КПСС в июле 1990 года был избран членом ЦК КПСС.

С 21 ноября 1989 года по 28 августа 1991 года - министр культуры СССР. После отставки Кабинета министров СССР в августе 1991 года в течение 3 месяцев (до 27 ноября) был исполняющим обязанности министра культуры, пока министерство не было упразднено Госсоветом (вместо него был создан Комитет СССР по культуре).

С 1992 г. - президент Международной ассоциации содействия культуре.

Член КПРФ. Избирался в Госдуму II и III созывов (1995-2003) от КПРФ, был заместителем председателем Комитета по культуре и туризму (1995-1999)[5] и председателем Комитета по культуре (1999-2003). С 20 апреля 1997 года по 25 мая 2002 года - член Президиума ЦК КПРФ. 25 мая 2002 года был исключен из КПРФ за отказ уйти с поста председателя Комитета, однако вскоре был восстановлен в партии.

В 2001-2006 годах - в Совете при Президенте Российской Федерации по культуре и искусству.

В 2005 году был избран в Мосгордуму от КПРФ. На выборах в Московскую городскую думу 2009 года входил в первую тройку избирательного списка КПРФ.

21 октября 2009 году избран заместителем Председателя Московской городской Думы, 24 сентября 2014 года переизбрался на этот пост. В январе 2016 года на сессии городского парламента предложил ужесточить контроль за притоком нелегальных мигрантов в Россию. В апреле 2017 года призвал ввести в России налог на бездетность.

В сентябре 2019 года вновь избран депутатом и вице-спикером Московской городской Думы. Умер в Москве 16 августа 2020 года.

Семья
Жена - Жанна Болотова, актриса. Детей в браке нет.

Признание и награды
Премия Ленинского комсомола (1972)[5]
Государственная премия РСФСР имени братьев Васильевых (1973) - за фильм "Пришел солдат с фронта" (1971)
Заслуженный артист РСФСР (1974)
Народный артист РСФСР (1985)[5]
Орден Искусств и литературы (Франция)
Орден Дружбы (22 августа 2015 года) - за активную законотворческую деятельность и многолетнюю добросовестную работу

Роли в кино
1964 - Мне двадцать лет (Застава Ильича) - Николай Фокин
1964 - Пока фронт в обороне - Бурьянов
1964 - Пядь земли - раненый солдат
1964 - Когда улетают аисты - Раду
1966 - Последний жулик - Петя Дачников
1966 - Мальчик и девочка - попутчик с гитарой
1967 - Пароль не нужен - В. К. Блюхер
1967 - Первый курьер - Яша Барончик
1967 - Начало неведомого века - человек с коровой
1969 - Дворянское гнездо - Ситников
1969 - Золотые ворота - солдат Иван
1969 - Директор - Алексей Зворыкин
1971 - Пришел солдат с фронта - Николай Максимович Егоров
1974 - Если хочешь быть счастливым - Андрей Родионов
1975 - Они сражались за Родину - лейтенант Голощеков
1975 - Прошу слова - Сергей Уваров
1976 - Подранки - Григорий Альбертович,воспитатель
1988 - Запретная зона - дачник

Режиссерские работы
1968 - Настасья и Фомка (короткометражный)
1971 - Пришел солдат с фронта
1974 - Если хочешь быть счастливым
1976 - Подранки
1980 - Из жизни отдыхающих
1983 - И жизнь, и слезы, и любовь
1988 - Запретная зона

Сценарии
1974 - Если хочешь быть счастливым
1976 - Подранки
1980 - Из жизни отдыхающих
1983 - И жизнь, и слезы, и любовь
1988 - Запретная зона

Озвучивание, вокал
1966 - Последний жулик - вокал (автор Владимир Высоцкий)
1966 - Мальчик и девочка - исполнение песни (автор Геннадий Шпаликов)
1976 - Подранки - Алексей Бартенев (роль Ю. Будрайтиса)
1977 - В зоне особого внимания - прапорщик Валентир (роль М. Волонтира)
1978 - Бархатный сезон - Николас, Николай Шухов (роль Ю. Будрайтиса)
1979 - Цыган - вокал
1979 - Несколько дней из жизни И. И. Обломова - отец Штольца (роль Н. Пастухова)
1980 - Из жизни отдыхающих - Алексей Сергеевич Павлищев (роль Р. Адомайтиса)
1982-1988 - В. И. Ленин. Страницы жизни (документальный) - В. И. Ленин
2009 - Исаев - от автора
2013 - Ку! Кин-дза-дза - Владимир Николаевич Чижов

Документальные фильмы
Николай Губенко. Я принимаю бой
Острова. Николай Губенко. (телеканал "Культура")
Николай Губенко является одним из героев документального фильма Владислава Виноградова "Мои современники" (1984)
"Монолог в 4-х частях. Николай Губенко", телеканал "Россия-Культура", 2018 год.