Николай Губенко родился на Украине в городе Одесса 17 августа 1941 года. Актер поступил во ВГИК, а во время учебы параллельно занимался в Государственном цирковом училище. В 1964 году Николай Губенко стал актером Театра на Таганке. В этом же году Губенко впервые появился на экране в роли Николая Фокина в фильме «Мне 20 лет» («Застава Ильича»), а также в лентах «Пядь земли» и «Пока фронт в обороне». Позже актер снялся в роли Раду в фильме «Когда улетают аисты», Пети Дачникова в комедийной ленте «Последний жулик» и В. К. Блюхера в приключенческой картине «Пароль не нужен». В 1968 году Губенко стал заниматься режиссерской деятельностью, сняв первый фильм - 22-минутную короткометражку «Настасья и Фомка». Позже он снял ленту «Братья Макаровы» и исполнил разные роли в фильмах «Дворянское гнездо», «Золотые ворота» и «Директор». В 1972 году Николай Губенко снял фильм «Пришел солдат с фронта», где также выступил в качестве актера. За эту ленту годом позже он получил Государственную премию РСФСР имени братьев Васильевых. В последующие годы Губенко снял следующие фильмы: «Если хочешь быть счастливым» (1974), «Подранки» (1976), «Из жизни отдыхающих» (1980), «И жизнь, и слезы, и любовь» (1984), «Запретная зона» (1988). Почти во всех перечисленных картинах он также выступил как актер и сценарист. Кроме того, в фильме «Подранки» Губенко озвучил роль Ю. Будрайтиса Алексея Бартенева.
В 1975 году актер снялся в роли лейтенанта Голощекова в знаменитом фильме Сергея Бондарчука «Они сражались за Родину» по одноименному роману Михаила Шолохова, а также исполнил роль героя Сергея Уварова в драматическом фильме Глеба Панфилова «Прошу слова». В 1977 году Губенко озвучил прапорщика Валентира роль М. Волонтира в фильме «В зоне особого внимания». В конце 80-х годов актер озвучил роль В. И. Ленина в документальном фильме «В. И. Ленин. Страницы жизни».
В 1985 году Николай Губенко был удостоен звания Народного артиста РСФСР. Через два года он стал главным режиссером театра на Таганке, а спустя два года ушел с поста, но остался художественным руководителем театра.
В 1992 году Губенко начал руководить театром «Содружество актеров Таганки».
В 1995 году актер стал депутатом Государственной Думы II-III созыва, которым был до 2003 года. С 2005 года Губенко является депутатом Мосгордумы III-IV созыва.
В 2013 году актер озвучил Владимира Николаевича Чижова в фантастическом анимационном фильме «Ку! Кин-дза-дза».
В настоящее время актер женат на российской актрисе Жанне Болотовой, известной, в частности, по роли Надежды в фильме «Из жизни отдыхающих», Марины в «Опасном возрасте» и преподавателя в комедии Алексея Балабанова «Жмурки».
