Н. С. Тихонов родился 22 ноября (4 декабря) 1896 года в Санкт-Петербурге в семье ремесленника-цирюльника (парикмахера) и портнихи. Учился сперва в начальной городской школе, затем — в Торговой школе, где в числе прочего преподавали коммерческие науки, товароведение, стенографию. В 1911 году бросил учёбу (по словам поэта, окончил школу), чтобы помогать своей малоимущей семье. Поступил писцом в Главное морское хозяйственное управление.
В 1915 году был призван в армию, где служил в гусарском полку. В 1918 году вступил в РККА, в 1922 году был демобилизован.
Н. С. Тихонов рано начал писать стихи. Первая публикация относится к 1918 году. В молодости поэт был последователем Гумилева, испытал также мощное влияние творчества Киплинга. В 1920-х поэт вошел в литературное объединение «Серапионовы братья», опубликовал поэму «Сами». Первые сборники стихов («Орда» и «Брага») вышли в 1922 году; они так и остались вершиной творчества Тихонова. Многие стихотворения в этих сборниках стали классикой жанра баллады: «Баллада о гвоздях», «Баллада о синем пакете», «Дезертир». Эти книги вызвали огромный интерес читателей; на протяжении 1920-х годов Тихонов оставался одним из самых популярных советских поэтов.
С конца 1920-х годов поэт много ездил по стране, в частности на Кавказ. Внимательно изучал жизнь и историю народов Кавказа. Занимался переводами грузинских, армянских, дагестанских поэтов. В 1935 году впервые поехал в Западную Европу с советской делегацией на Конгресс в защиту мира в Париже. Неоднократно выступает с политическими заявлениями, поддерживающими линию советского руководства.
Участник советско-финляндской войны 1939—1940 годов. Возглавлял группу писателей при газете «На страже Родины». Во время Великой Отечественной войны работал в Политуправлении Ленинградского фронта. Писал очерки и рассказы, статьи и листовки, стихи и обращения. Стихи этого периода вошли в книгу «Огненный год» (1942 год), самое известное произведение военных лет — поэма «Киров с нами». В 1944-1946 председатель Правления СП СССР.
В послевоенный период Тихонов пишет меньше, что было связано с значительными общественными нагрузками. В мае 1947 года в рамках борьбы с космополитизмом Николай Тихонов обрушился с критикой на изданную еще в 1941 году книгу И. М. Нусинова «Пушкин и мировая литература», обвинив автора в том, что Пушкин у него «выглядит всего лишь придатком западной литературы», в преклонении перед Западом, в забвении того, что только русская литература «имеет право на то, чтобы учить других новой общечеловеческой морали», назвав автора «беспаспортным бродягой в человечестве».
С 1949 года Тихонов был председателем Советского комитета защиты мира, в 1950 году стал членом Бюро ВСМ. Побывал в составе советских делегаций в ряде стран Европы и Азии. В 1944—1946 годах был председателем правления СП СССР, с 1946 года — заместитель генерального секретаря СП СССР. Депутат ВС СССР 2—9 созывов с 1946 года, ВС РСФСР и Моссовета. Заместитель председателя Комитета по Сталинским премиям в области литературы и искусства.
В 1966 году первым среди советских писателей был удостоен звания Героя Социалистического Труда.
Н. С. Тихонов и Л. И. Брежнев — единственные, кто был награжден и Ленинской премией, и Международной Ленинской премией «За укрепление мира между народами».
Поэт скончался 8 февраля 1979 года в Москве. Незадолго до смерти, выступая по советскому радио, вспоминал о своём учителе Н. С. Гумилёве (чьё имя было тогда под запретом) и цитировал его стихи. Похоронен на Новодевичьем кладбище (участок № 9). Известны живописные и графические портреты Н. Тихонова, исполненные в разные годы советскими художниками, в том числе Т. К. Афониной (1980).