Народився 11 грудня 1964, село Малі Канівці, Чорнобаївський район, Черкаська область.
У 1989 закінчив історичний факультет КНУ, спеціальність — історія КПРС.
1992 — закінчив аспірантуру історичного факультету Київського державного університету імені Тараса Григоровича Шевченка, захистивши кандидатську дисертацію на тему: «Проблема державності в програмних документах і діяльності сучасних політичних партій України: історико-політичний аналіз».
1983–1985— служив у армії, брав участь у бойових діях в Афганістані.
1988–1989 — секретар комітету комсомолу Київського державного університету ім. Шевченка, з 1989 — секретар Асоціації молодіжних організацій Київського університету ім. Шевченка.
1989 — член оргкомітету з проведення установчого з'їзду Народного Руху України.
1992–1993 — голова центру суспільних досліджень Фундації імені В'ячеслава Липинського.
1993–1994 — віце-президент Асоціації молодих українських політологів і політиків.
Серпень 1992 — вересень 1995 — завідувач кафедри політичних наук (координатор програми) інституту державного управління і самоврядування при Кабінеті Міністрів України.
1993–1994 — заступник начальника інформаційно-аналітітичного управління Міністерства України у справах національностей і міграції.
З вересня 1994 — доцент кафедри політології Національного Університету «Києво-Могилянська Академія», редактор відділу порівняльної політології журналу «Політична думка», віце-президент фонду «Українська перспектива».
1995–1997 роках — віце-президент фонду «Українська перспектива».
З листопада 1995 року — директор Інституту посткомуністичного суспільства.
З вересня 1997 року — завідувач кафедри політології Національного Університету «Києво-Могилянська Академія».
З квітня 1998 — директор громадської неприбуткової організації Інститут політики.
У травні 1998 року був висунутий кандидатом у народні депутати за партійним списком партії «Реформи і порядок» (№ 15), однак партія не подолала 4 % бар'єр.
Лютий 2000 — березень 2001 — начальник Головного управління преси та інформації Київської міської державної адміністрації.
У 2002 році обраний нардепом від блоку Ющенка «Наша Україна» (№ 62). Очолював Комітет з питань свободи слова та інформації, виступав проти тиску президентської влади на ЗМІ.
Під час Помаранчевої революції один з «польових командирів» Майдану. Член Комітету національного порятунку.
З 4 лютого до 8 вересня 2005 року віце-прем'єр України з гуманітарних та соціальних питань в уряді Тимошенко. Йдучи у відставку, виступив зі скандальними викриттями фактів корупції в найближчому оточенні президента Ющенка.
У листопаді 2005 року покинув партію «Реформи і порядок» та вступив до партії Батьківщина. На парламентських виборах 2006 року балотувався за списком «Блоку Тимошенко» (№ 3). На регіональних виборах того ж року очолював партійний список БЮТ в Київраді.
Заступник голови партії ВО «Батьківщина». Після виборів — заступник голови фракції БЮТ у Верховній Раді, голова парламентського Комітету з питань сім'ї, молодіжної політики, спорту та туризму. У лютому 2007 року обраний заступником голови Верховної ради, перебував на цій посаді до червня того ж року. На позачергових парламентських виборах 2007 року знову отримав депутатський мандат за списком БЮТ (№ 3). У вересні 2008 року вдруге обраний заступником голови Верховної ради. 4 липня 2012 подав у відставку після прийняття Верховною радою контроверсійного закону «Про засади державної мовної політики», однак вона не була прийнята.
З грудня 2012 року по листопад 2014 року — народний депутат України VII скликання від партії Батьківщина (№ 10 у списку). Голова Комітету Верховної Ради з питань свободи слова та інформації. У цій якості активно виступав за прийняття Закону «Про Суспільне телебачення і радіомовлення України».
У квітні 2014 як голова фонду «Рідна країна», підтримав Порошенка у виборах президента, а також уклав з ним угоду про розроблення та реалізацію «Гуманітарної стратегії України» та став його довіреною особою на виборах.
Восени 2014 року на позачергових виборах Томенка пройшов до Верховної Ради за списками партії Блок Петра Порошенка (за №8). Заступник голови депутатської фракції БПП ( Юрія Луценка ). Очолює комітет ВР з питань екологічної політики, природокористування та ліквідації наслідків Чорнобильської катастрофи.
13 липня 2015 р. – президент Порошенко звільнив Томенка від виконання обов'язків позаштатного радника.
2 лютого 2016 р. спікер ВР Володимир Гройсман зачитав заяву Томенка про вихід із фракції БПП. Своє рішення Томенко пояснював незгодою з процесом ухвалення держбюджету-2016.
25 березня 2016 р. з'їзд партії БПП проголосував за позбавлення Томенка депутатського мандату, а 29 березня, після рішення Центрвиборчкому, про припинення депутатських повноважень Томенка на пленарному засіданні оголосив речник Верховної Ради Володимир Гройсман. Сам Томенко рішення з'їзду БПП вважає незаконним та пов'язує його з тим, що критикував дії президента та фракції.
У 2019 році Микола Томенко балотується до Верховної Ради IX скликання від партії Громадянська позиція №3 у списку. У результаті на виборах до ВРУ 2019 року партія Громадянська позиція не подолала прохідний бар'єр у 5%.
Томенко - автор понад сотні наукових статей, книг "Історія української Конституції", "Абетка української політики", "Теорія українського кохання", співавтор підручника "Основи теорії політики".
Дружина Валентина Олександрівна (1962) — історик, магістр державного управління, виконавчий директор Інституту політики. Син Павло (1989) магістр економіки і права.
Серед захоплень Томенка – сучасна українська поп-музика та спорт (баскетбол, футбол, теніс).
29.03.2020