Николай Петрович Караченцов родился 27 октября 1944 г. в Москве в семье Петра Яковлевича Караченцова (1907−1998) и Янины Евгеньевны Брунак (1913−1998). Отец — художник-график, работал в журнале «Огонек». Мать — балетмейстер-постановщик. В старших классах Николай Караченцов посещал студию самодеятельности для школьников при Центральном детском театре (ныне — Российский академический молодежный театр, Москва).

В 1967 г. с отличием окончил актерский факультет Школы-студииМХАТ (ныне — Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре им. А. П. Чехова), где учился на курсе Виктора Монюкова.

После этого молодой актер должен был по распределению поступить во МХАТ, однако в театральную школу обратилось руководство Московского театра им. Ленинского комсомола (ныне — Московский государственный театр «Ленком»), который вслед за уходом главного режиссера Анатолия Эфроса покинули многие актеры. После этого десять лучших выпускников Школы-студии МХАТ, в том числе Николай Караченцов, были направлены на работу в «Ленком».

На сцене «Ленкома» актер сыграл в более чем двадцати постановках разных жанров: от драмы до рок-оперы. Первый успех ему принесла роль Тиля Уленшпигеля в спектакле Марка Захарова «Тиль» (1974). Николай Караченцов также был задействован в спектаклях: «Жестокие игры» (1972), «Автоград 21» (1973), «Звезда и Cмерть Хоакина Мурьеты» (1976), «Оптимистическая трагедия» (1983), «Гамлет» (1986), «…Sorry» (1992), «Шут Балакирев» (2001) и др. Наиболее популярной среди театральных работ артиста стала роль графа Резанова в рок-опере «Юнона» и «Авось», которую он исполнял с 1981 г. на протяжении более двадцати лет.

Николай Караченцов был широко известен в качестве киноактера. Дебютной для него стала роль Ивана Шульги в историко-приключенческом телефильме Марии Муат «…И снова май!» (1968). К числу наиболее известных киноработ Николая Караченцова относятся: Владимир Бусыгин в драме «Старший сын» по пьесе Александра Вампилова (1975, режиссер Виталий Мельников), маркиз Рикардо в музыкальном фильме «Собака на сене» по пьесе Лопе де Вега (1977, Ян Фрид), Мик Урри в фильме «Приключения Электроника» по книге Евгения Велтистова (1979, Константин Бромберг), Джефферсон Хоуп в фильме «Кровавая надпись» из цикла «Приключения Шерлока Холмса и доктора Ватсона» по произведения Артура Конан Дойла (1979, Игорь Масленников), Вася Ходас в драме «Белые росы» (1983, Игорь Добролюбов), Николай Орлов в военной драме «Батальоны просят огня» по мотивам повести Юрия Бондарева (1985, Владимир Чеботарев и Александр Боголюбов), Билли Кинг в приключенческой комедии «Человек с бульвара Капуцинов»(1987, Алла Сурикова), «Японец» в авантюрной комедии «Дежа вю» (1989, Юлиуш Махульский) и др.

Также снимался в фильмах и сериалах: «Моя судьба» (1973, режиссер Леонид Пчелкин), «Одиножды один» (1974, Геннадий Полока), «Ярославна, королева Франции» (1978, Игорь Масленников), «Благочестивая Марта» по мотивам пьесы Тирсо де Молина (1980, Ян Фрид), «Остров сокровищ» по одноименному роману Роберта Льюиса Стивенсона (1982, Владимир Воробьев), «Трест, который лопнул» по произведениям О. Генри (1982, Александр Павловский), «Моонзунд» по роману Валентина Пикуля (1987, Александр Муратов), «Криминальный квартет» (1989, Александр Муратов), «Петербургские тайны» (1994−1998, Вадим Зобин и др.), «Досье детектива Дубровского» (1999, Александр Муратов) и др. В общей сложности исполнял различные роли в более чем девяноста фильмах и сериалах.

Артист исполнял песни к различным художественным и мультипликационным фильмам, многие из них были выпущены на компакт-дисках и аудиокассетах. В общей сложности Николай Караченцов записал более 200 песен.

Николай Караченцов дублировал иностранные фильмы, в том числе все ленты с участием французского актера Жана-ПоляБельмондо, которые шли в отечественном прокате. Также актер озвучивал мультипликационные фильмы («Ловушка для Бамбра», «Пес в сапогах», «Космические пришельцы», «Бюро находок», «Остров капитанов» и др.), участвовал в аудиоспектаклях («Пикник на обочине», «Казаки», «Питер Пэн», «Ромео и Джульетта»).

Народный артист РСФСР (1989).

Был награжден орденами Почета (1997) и «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2009).

Лауреат Государственной премии РФ (2002; за роль в спектакле «Шут Балакирев»), премии МВД РФ (2001).

Был удостоен специального приза кинофестиваля «Амурская осень» (2004, Благовещенск, Амурская область), премии «Своя колея» (2005; учреждена Благотворительным фондом Владимира Высоцкого, Министерством культуры РФ и Комитетом по культуре г. Москвы), специального приза «Хрустальная роза» московской театральной премии «Хрустальная Турандот» (2005), российской национальной актерской премии им. Андрея Миронова «Фигаро» (2011) и др.

Был женат на заслуженной артистке РФ Людмиле Поргиной. Сын Андрей (род. 1978) — выпускник факультета международного права Московского государственного института международных отношений, адвокат.

28 февраля 2005 г. Николай Караченцов, находясь за рулем своего автомобиля, попал в автомобильную аварию в Москве на Мичуринском проспекте. Актер получил серьезную черепно-мозговую травму, более двадцати дней провел в коме. Он перенес несколько тяжелых операций и курсов реабилитации. 22 июня 2006 г. в Москве прошла презентация автобиографической книги Николая Караченцова «Авось», которую он начал писать еще до аварии. Заключительную главу дописала его супруга Людмила Поргина. 27 мая 2007 г. в столичном кинозале «Пушкинский» состоялись гала-концерт«Звезды сошли с небес» и презентация дискографии «Антология песен из репертуара Николая Караченцова». Впервые после аварии актер смог подняться на сцену. В октябре 2009 г. Николай Караченцов вновь появился перед публикой во время презентации музыкального диска «Я не солгу!». В данный сборник вошли песни, в разное время исполнявшиеся им на музыку композитора Елены Суржиковой. В 2013 г. актер сыграл эпизодическую роль в фильме Александры Бутор «Белые Росы. Возвращение». В 2014 г. в «Ленкоме» прошел его юбилейный вечер «Я здесь!», а также творческий вечер, посвященный выходу двойного компакт-диска «Лучшее и неизданное» (был приурочен к 70-летию актера).

С ноября 2017 г. Николай Караченцов проходил курс лечения от онкологического заболевания.

Жизни и творчеству актера посвящены документальные фильмы «Николай Караченцов. Любви не названа цена» (2009, режиссер Иван Цыбин), «Николай Караченцов. Нет жизни до и после…» (2014, Лариса Кичаева) и «Николай Караченцов. Я люблю — и, значит, я живу» (2014, Руслан Трещев), а также книга Ирины Агаповой и Маргариты Давыдовой «Николай Караченцов».