Николай Захарович Бирюков родился 1 февраля 1912 года в Орехово-Зуево, ныне Московская область, в семье рабочего-текстильщика. В 1919 году, когда фабрика, где трудился его отец, остановила производство, семья переехала в Поволжье, на нижне-сызранские луга. Гражданская война и засуха 1921 года оставили глубокий след в памяти будущего писателя и позже нашли отражение в его романе «На хуторах», опубликованном в 1938 году.

В 1922 году семья Бирюковых вернулась в Орехово-Зуево. Здесь 10-летний Николай вместе с друзьями участвовал в создании одного из первых пионерских отрядов в СССР. В 1925 году он вступил в комсомол и начал работать на фабрике, совмещая труд с активной комсомольской деятельностью. Впечатление на него произвело выступление И. В. Сталина на VIII съезде ВЛКСМ в 1928 году, призывающее овладевать наукой. До 1931 года он учился в ФЗУ текстильного комбината, на московском рабфаке имени М. И. Калинина и в строительном техникуме.

Осенью 1930 года Бирюков работал на строительстве Дулёвского завода, где произошла авария с подпочвенной водой. Молодые комсомольцы, включая Бирюкова, устраняли её в ледяной воде. Вскоре он заболел и в 18 лет остался прикованным к постели, сохранив подвижность лишь рук. В то время сообщалось о «врачах-преступниках», якобы не оказавших ему необходимую помощь.

В 1931 году Бирюков решил посвятить себя писательству, ещё не зная о Николае Островском. В 1932 году на всесоюзном конкурсе молодых поэтов он получил вторую премию за стихотворение «Побед не счесть!». В 1936 и 1940 годах он заочно учился в Литературном институте имени А. М. Горького и одновременно в институте иностранных языков. В 1938 году в журнале «Октябрь» вышел его первый роман «На хуторах».

Во время Великой Отечественной войны Бирюков писал рассказы и очерки о героизме советских людей. Такие произведения, как «Перед дыханием смерти», «Дисциплина сердца», «Русские глаза» и «Песнь в лесу», получили широкую известность. Осенью 1942 года он начал роман «Чайка» о Лизе Чайкиной, который был издан в начале 1945 года и стал популярным, в том числе на фронте. Роман перевели на многие языки народов СССР и издали в социалистических странах Восточной Европы.

В 1949 году вышел его новый роман «Воды Нарына», посвящённый строительству Большого Ферганского канала имени И. В. Сталина. Для написания книги Бирюков объездил Среднюю Азию в специальной коляске. В романе показана значимость стройки для социалистического преобразования экономики и культуры народов Средней Азии, а также роль Коммунистической партии. Летом 1951 года он отправился в творческую командировку, посетив завод «Красное Сормово», ГАЗ имени В. М. Молотова и строительство Куйбышевской ГЭС. Итогом поездки стала книга очерков «На мирной земле» 1952 года. В 1959 году он написал историко-революционный роман «Сквозь вихри враждебные».

Последние 10 лет жизни Бирюков провёл в Крыму и скончался в Симферополе 31 января 1966 года.