Окончив в 1978 году знаменитое Высшее театральное училище имени Б.В. Щукина, в том же году устроился на работу в Театр юного зрителя города Москвы. На тот момент у него уже имелся опыт съемок: в 1971 год актер играл Колю Бирюкова в кинокартине «Мальчики». А в 1973 году Николай Васильевич снялся в фильмах «И на Тихом океане...», «Берега» и «Возле этих окон...». Через год он сыграл Славку в ленте «Последнее лето детства». После чего актеру предложили основную роль, и в 1976 году на экраны вышла кинокартина «Сентиментальный роман» с Николаем Денисовым в качестве главного героя. В 1978 году он отразил сложный характер Александра Алехина в фильме «Баламут». А в 1979 году актер появился сразу в нескольких проектах: киноленте «День свадьбы придется уточнить», а также в фильмах-спектаклях «Ярость» и «Когда же пойдет снег?».
В 1980 году вышли три кинокартины с участием Николая Денисова: «Двадцать шесть дней из жизни Достоевского», «Частное лицо» и «У матросов нет вопросов». В период с 1980 по 2008 год актер снялся более чем в двадцати проектах, среди которых - «Каменская-3», «Моя прекрасная няня», «Дети Ванюхина», «Странствия и невероятные приключения одной любви», «Приключения на хуторке близ Диканьки» и многие другие. А в 2005 году Николай Васильевич принял участие в озвучивании «Фирменной истории». Помимо этого, Денисов продолжает преподавать мастерство актера в ГИТИС.
Кроме игры в театре и съемках в фильмах, артист занимается режиссурой. Так, в 2007 году он закончил работу над двумя кинолентами - «Экстренный вызов» и «Ты сверху, я снизу». А в 2008 году Николай Денисов режиссировал двухсерийный фильм «Приключения на хуторке близ Диканьки».
В 2010 и 2011 годах вышло сразу несколько картин с участием Денисова: «Закон и порядок. Отдел оперативных расследований-4», «Основная версия», «Сделано в СССР», «Товарищи полицейские» и «Час Волкова - 5».
