Николай Сергеевич Воронин родился 19 августа  (1 сентября) 1911 г. в г. Москве. Отец, Сергей Васильевич Воронин, выпускник физико-математического факультета Московского университета, был преподавателем и инспектором учительской семинарии в г. Карачеве Орловской губернии,  впоследствии директором мужской учительской семинарии в г. Рославле Смоленской губернии, профессором математики Смоленского университета и Калининского пединститута,  заведующим кафедрой математики Калужского педагогического института. Мать, Елена Борисовна, урожденная Веселовская,  окончила Александровский институт благородных девиц в г. Тамбове, педагогические курсы в Москве при Московском обществе воспитательниц и учительниц, Женевский и Мюнхенский университеты. Бакалавр Женевского и Мюнхенского университетов, она в течение ряда лет, избрав своей специальностью ботанику, работала под руководством выдающегося ботаника Карла Гёбеля над собственным исследованием в Мюнхенском университете, где в 1907 г. защитила диссертацию.

Николай получил первоначально домашнее образование. В своей «Автобиографии» он писал об этом: «Так как в 1917 г. молодая советская школа переживала период  исканий, развала, родители решили меня и моего брата не отдавать в  школу, а вдвоем дать домашнее образование. Отец обучал нас арифметике, а мама взяла на себя преподавание русского языка, немецкого и французского языков, которыми она владела в совершенстве».

С назначением в 1925 г.  отца профессором методики преподавания математики Смоленского университета, они переехали в Смоленск. Николай с братом Левой стали учиться в опытно-показательной школе при Смоленском университете. Создаваемые в первое советское десятилетие в рус­ле тру­до­вой шко­лы экс­пе­ри­мен­таль­ные учеб­ные за­ве­де­ния подобного типа отличались довольно высоким уровнем преподавания. Помимо школ при университетах, это и хорошо известные опыт­но-по­ка­за­тель­ные уч­ре­ж­де­ния и стан­ции Нар­ком­про­са (Опыт­но-по­ка­за­тель­ная шко­ла им. П. Н. Ле­пе­шин­ско­го, Пер­вая Опыт­ная стан­ция, воз­глав­ляе­мая С. Т. Шац­ким, и др.).   В опытно-показательной школе, где учились братья Воронины, был  сильный состав учащихся, в ней преподавали профессора университета. Стойкое влечение к ботанике ко времени окончания школы привело Николая на естественное отделение Смоленского университета, куда он  поступил осенью 1929 г.

Факторы, повлиявшие на становление Воронина как ученого, многообразны. Однако роль матери в выборе цели в жизни была, несомненно, велика. «С малых лет я почувствовал интерес к растениям. Мама во время прогулок, работе в огороде рассказывала мне о растениях. Я любил смотреть картинки в ботаническом атласе Гофмана-Монтеверде и в двухтомной «Жизни растений» Кернера», –  писал Воронин. В домашней библиотеке были первоклассные издания –  «Ботанический Атлас. Описание и изображение растений русской флоры», составленный главным ботаником Императорского С.-Петербургского ботанического сада Н.А. Монтеверде, а также двухтомная «Жизнь растений» австрийского профессора Кернера (1831—1898), вышедшая в серии «Вся природа» книгоиздательского товарищества «Просвещение» (в этой же серии вышла и знаменитая «Жизнь животных» Альфреда Брема). 

В студенческие годы  Н. С. Воронин включился в работу по геоботанике, изучению растительного покрова Западной области (ее административным центром был Смоленск), которую проводили заведующий кафедрой ботаники профессор Я.Я. Алексеев и его ученики. Проработав специальный семинар по геоботанике, Воронин был включен в геоботаническую партию доцента Р.Т. Рыбакова, приступил к практическим почвенно-агрономическим (геоботаническим, работам по фитоценологии*) исследованиям.

Почвенные и почвенно-агрономические работы в большом масштабе развивались в послереволюционный период на местах — в союзных республиках и областях. Группы   почвоведов стали своего рода преемниками  земских агрономов и статистиков, проводили  исследования, связанные с землеустройством при областных   и   республиканских земельных организациях («Госземтрест»).  Будучи студентом третьего курса,             Н.С.  Воронин работал над геоботаническим описанием растительности, представив зимой 1932 –1933 гг., уже студентом четвертого курса, результаты  своего обследования  в двух полных отчетах: «Отчет о геоботанических исследованиях территории совхоза Лысково Медынского района Западной области» (рукопись по исследованиям 1932 г. была сдана Госземтресту Западной области в декабре 1932 г.). Следующим материалом стал  «Отчет о геоботанических исследованиях территории совхоза Андрейково Вяземского района Западной области», рукопись по исследованиям 1932 г. была сдана Госземтресту Западной области в феврале 1933 г.  

В каникулярные месяцы 1933 г., по предложению Я.Я. Алексеева, он участвовал в описании лесов и болот только что организованного Центрального лесного заповедника, расположенного на водоразделе Волги, Западной Двины и Днепра. Эта работа очень увлекла Воронина, обогатила его понимание связи между растительностью, рельефом, водоснабжением, почвой. Он собрал значительную коллекцию видов торфяного мха (сфагнума) в больших моховых верховых болотах, которую в последующие годы обработал.

В 1932 г. он окончил Смоленский педагогический институт, который был создан ранее на основе университета. В 1933 г. Воронин работал преподавателем естествознания и химии в 12-й фабрично-заводской семилетней школе г. Смоленска.

После недолгого пребывания в должности лаборанта в Ботаническом кабинете Смоленского пединститута,   он был призван  в декабре 1933 г. в ряды Красной армии. В РККА он был зачислен в 10-й стрелковый полк 4-й имени Германского пролетариата дивизии, и после обучения выпущен командиром взвода пехоты.

Тяжелый плеврит, перенесенный им во время военной службы, привел, по совету врачей, к поездке в Тифлис к дяде  –  В.В. Воронину, крупнейшему патофизиологу. В Тифлисе, кроме самостоятельного изучения флоры и растительности Южного Кавказа, он около полутора месяцев работал, занимаясь обработкой различных гербариев, в Тифлисском Ботаническом институте под руководством видного ботаника, систематика и ботаникогеографа профессора Д. И. Сосновского.

Все это время Воронин посвятил самостоятельной подготовке к аспирантуре. Осенью 1935 г. он выдержал приемные испытания и поступил в аспирантуру Московского государственного университета. В аспирантуре Воронин пробыл с 1 октября 1935 г. по 1 октября 1938 г., занимаясь под руководством проф. А.Н. Строганова в секции анатомии и систематики высших растений, избрав своей специальностью анатомию высших растений. В 1938 г. Воронин окончил аспирантуру в научно-исследовательском институте ботаники при Московском государственном университете. Для изучения ферулы, среднеазиатского зонтичного растения, ставшего предметом его изысканий, он совершил две поездки в Среднюю Азию. Во время  первой командировки в Ташкент весной 1935 г. он работал в лаборатории Среднеазиатского государственного университета. В 1937 г. Воронин был зачислен в состав экспедиции и два месяца провел в пустыне Кызыл-Кумы. После окончания аспирантуры Воронин работал  и.о. доцента кафедры ботаники в Рязанском государственном педагогическом институте. В 1938 г. он вступил в законный брак с Софьей Георгиевной Куликовой.

В 1940 г. он защитил кандидатскую диссертацию на тему «Развитие смоляных ходов зонтичного ферулы асса-фетиды» и был утвержден в звании доцента кафедры ботаники. В Рязанском пединституте он работал с 1 октября 1938 г. по 25 августа 1941 г., т.е. до момента мобилизации в ряды Красной Армии.

Дальнейшая научная и педагогическая деятельность ученого была прервана начавшейся войной. В августе 1941 г. он был мобилизован в ряды Красной Армии и направлен в г. Казань, где формировалась 334-я стрелковая дивизия. С  1 декабря 1941 г. и до окончания Великой Отечественной войны  Н.С. Воронин находился  в действующей армии,  вначале командиром стрелкового взвода, затем переводчиком при штабе стрелкового полка, а в конце войны –  переводчиком первого разряда при штабе танкового корпуса в звании капитана. В 1942–1943 гг. Н.С. Воронин выполнял особое задание с разведгруппой и находился 9 месяцев в тылу врага. За выполнение  этого задания он был награжден орденом Отечественной войны 2-й степени. О своем участии в Великой Отечественной войне Николай Сергеевич Воронин написал воспоминания, в основу которых легли его записи о действиях истребительного отряда в тылу врага, сделанные во время ночных дежурств по штабу. Они были опубликованы в 2005 г. уже после его смерти.

После демобилизации в декабре 1945 г. Н.С. Воронин был назначен  Министерством просвещения РСФСР доцентом кафедры ботаники  Рязанского педагогического института. Работая здесь  в довоенное время и после войны,  он вел лекционные курсы анатомии,  морфологии, систематики, географии и физиологии растений,  лабораторные занятия по этим дисциплинам и полевую практику.

В 1947 г. Н.С. Воронин переехал в Калугу, вся его трудовая деятельность в дальнейшем была связана с Калужским педагогическим институтом. В 1965 г. защитил докторскую диссертацию на тему «Эволюция первичных структур в корнях растений» и был утвержден Высшей Аттестационной комиссией в ученом звании профессора по кафедре ботаники. Н.С. Воронин  – ученый с мировым именем.  Работая в области анатомии растений,  он был специалистом высочайшего класса по эволюционной анатомии корней и корневых систем. В конце 1960-х – 70-х гг. Н.С. Воронин публикует статьи, оттиски которых просят выслать ученые Университета г.Айовы (США), Национального музея естественной истории Франции (Париж), Вроцлавского университета (Польша). Из Академии Наук Чехословакии из Праги ему сообщают о включении его работ в ежегодники библиографии по разделу ботаники.

Николай Сергеевич фактически заново создал кафедру ботаники в Калужском педагогическом институте, которую возглавлял долгие годы. Им были разработаны и прочитаны оригинальные курсы по морфологии растений, по охране природы, краеведению. Особое внимание Николай Сергеевич уделял полевой практике. Он вместе с другими учеными страны написал один из лучших учебников по анатомии и морфологии растений. Его «Практикум по анатомии и морфологии растений», хорошо знакомый студентам-биологам в нашей стране почти с середины XX века, популярен и в настоящее время. Несколько изданий выдержал учебник для высших учебных заведений «Ботаника: Морфология и анатомия растений» (2-е изд., перераб. Под общ. ред Т.И. Серебряковой./ А.Е. Васильев, Н.С. Воронин, А.Г. Еленевский и др. – М.,: Просвещение, 1988. – 480 с.: ил.).  Уже после его ухода был издан учебник «Ботаника с основами фитоценологии:  Анатомия  и морфология растений: учебник для вузов  / Т.И. Серебрякова, Н.С. Воронин, А.Г. Еленевский и др. – М.,: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 543 с.: ил.).  Почетный работник просвещения. Был награжден орденом Трудового Красного Знамени (1971 г.)

Николай Сергеевич Воронин умер 17 октября 2004 г. в Калуге.

Похоронен на Литвиновском кладбище.