Николай Симонов родился 21 ноября (4 декабря) 1901 в Самаре в семье управляющего мукомольной фирмы.
Окончив шесть классов гимназии, в 1918 году поступил на вечернее отделение Самарской художественно-промышленной школы. В 1919—1922 годах учился на факультете живописи Петроградских государственных свободных художественно-учебных мастерских (ПГСХУМ) (ныне Санкт-Петербургский государственный академический институт живописи, скульптуры и архитектуры имени И. Е. Репина) при воссозданной Академии художеств, где учился у О. Э. Браза, А. А. Рылова, К. С. Петрова-Водкина. Однако, несмотря на успехи в академии, предпочёл театр, о котором мечтал со школьных лет.
В 1922 году поступил в Петроградский институт сценических искусств, сразу на второй курс, в мастерскую Л. С. Вивьена, и некоторое время оставался студентом двух учебных заведений, но в 1923 году оставил занятия живописью.
Могила Н. К. Симонова на Литераторских мостках в Санкт-Петербурге.
В 1924 году окончил Институт сценических искусств и был приглашён в труппу Ленинградского государственного театра драмы (позже — им. А. С. Пушкина, ныне Александринский театр). Однако сразу прийти в театр ему не удалось — на один год его призвали в РККА. Прослужив в театре семь лет, сыграл несколько главных ролей, в том числе Павла в «Виринее» Л. Н. Сейфуллиной и Вершинина в «Бронепоезде 14-69» В. В. Иванова.
В 1931 году покинул Ленинград и возглавил Самарский краевой драматический театр (ныне Самарский театр драмы имени М. Горького).
В 1934 году вернулся в Ленинградский театр драмы им. А. С. Пушкина, который больше уже не покидал. На протяжении нескольких десятилетий был одним из ведущих актёров театра, выступал и в качестве режиссёра.
В кинематографе дебютировал в 1924 году, ещё в эпоху немого кино снялся более чем в десяти фильмах, в том числе в главной роли в фильме В. Р. Гардина «Кастусь Калиновский».
Николай Константинович Симонов умер от рака пищевода 20 апреля 1973 года в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). Похоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища.