Николай Ильич Подвойский родился в семье сельского священника-учителя. Он учился в Нежинском духовном училище, затем в Черниговской духовной семинарии. В 1901 году вступил в РСДРП. В 1901-1905 годах учился в Демидовском юридическом лицее в Ярославле. После II съезда РСДРП примкнул к большевикам. В 1904-1905 годах был председателем большевистского студенческого комитета и членом Северного комитета РСДРП.

В 1905 году был одним из руководителей стачки текстильщиков и Совета рабочих депутатов в Иваново-Вознесенске. Организатор боевых дружин рабочих Ярославля. Во время одного из боевых столкновений был ранен. В 1906-1907 годах находился в эмиграции в Германии и Швейцарии. Вернувшись в 1907 году в Россию, работал в Петербургской, а затем в Костромской и Бакинской организациях большевиков.

В 1912-1914 годах участвовал в организации и издании газет "Звезда" и "Правда". В 1915-1916 годах редактор журнала "Вопросы страхования", глава финансовой комиссии Русского бюро ЦК РСДРП. В ноябре 1916 года арестован, в феврале 1917 года был приговорен к ссылке в Сибирь, но освобожден во время Февральской революции.

В 1917 году был членом Петроградского комитета РСДРП(б), депутатом Петроградского совета, руководителем Военной организации при Петроградском комитете большевиков, организатором отрядов Красной гвардии. Один из организаторов Октябрьской революции, член Военно-революционного комитета, его бюро и оперативной тройки по руководству Октябрьским вооруженным восстанием.

В 1917-1918 годах нарком по военным делам РСФСР. В 1918-1919 годах член Реввоенсовета Республики и одновременно наркомвоенмор Украинской ССР. В 1921-1927 годах председатель Спортинтерна и в 1920-1923 годах Высшего совета физической культуры. В 1924-1930 годах член Центральной контрольной комиссии ВКП(б). Работал в Истпарте.

В 1927 году снялся в фильме С. Эйзенштейна "Октябрь" в роли самого себя. С 1935 года персональный пенсионер, занимался пропагандистской и литературно-журнальной деятельностью. В 1941-1945 годах занимался организацией оборонных работ под Москвой, снабжением войск литературой, вел литературную и агитационно-пропагандистскую работу в войсках. В 1945 году удостоен Медали "За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг." и медали "За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.". Скончался 28 июля 1948 года в Москве. Похоронен с воинскими почестями в Москве на Новодевичьем кладбище.