В 1939 году Николай Тимофеев отправился на службу в армию, откуда был призван на фронт. Домой Николай вернулся только в 1946 году. Решив получить творческое образование, Тимофеев отправился на учебу в столицу, где поступил в Театральное училище имени Щукина. Актерский диплом Николай Тимофеев получил в 1950 году, в том же году он поступил на работу в Академический театр Евгения Вахтангова.
Дебют Николая Тимофеева в советском кинематографе состоялся в 1950 году. Первая большая и заметная роль актера — Афанасьев в картине «В мирные дни». Эта роль была тепло встречена зрителями и кинокритиками, а сам актер был удостоен Сталинской премии. В том же году Николай снялся в киноленте «Секретная миссия», в которой он весьма успешно изобразил американского летчика. Затем, уже в 1951 году, Николай Тимофеев блестяще исполнил Добролюбова в картине «Тарас Шевченко», ставшей одним из наиболее ярких кинособытий того года. Следующие киноработы Николая Тимофеева — это роли в фильмах «Возвращение Василия Бортникова», «Композитор Глинка», «Серебристая пыль», «Егор Булычев и другие», «Великий воин Албании Скандерберг».
В 1954 году вышла картина «Испытание верности», в которой воплощать на экране одного из ключевых персонажей — Алексея Боброва — было доверено именно Николаю Тимофееву. Успех был закреплен лентами «Судьба барабанщика», «На острове Дальнем…», «Степан Кольчугин», «Андрейка», «В дни Октября», «Жажда».
1960-е годы оказались для Николая Тимофеева не менее насыщенными хорошими ролям. Особого упоминания заслуживают киноленты «Колыбельная», «Мир входящий», «Музыка Верди», «Ночь без милосердия», «Дикая собака Динго», «Мечте навстречу», «Царская невеста», «Последний месяц осени», «Зимнее утро», «Места тут тихие», «Прямая линия», «Ташкент — город хлебный». В 1970-1980 годах Николай Тимофеев снимался значительно меньше, отметившись, тем не менее, в таких картинах, как «Время московское», «Мартин Иден», «Через тернии к звездам».
