Родился 22 октября (4 ноября) 1910 года в Омске в семье рабочего. Когда ему было 12 лет, семья переехала на Украину. С 1930 года работал разметчиком на судоремонтном заводе, был сотрудником заводской многотиражки. С 1933 сменил несколько городов, пробовал себя в разных профессиях (журналист, библиотекарь, заведующий клубом и др.), некоторое время учился на историческом факультете Ленинградского университета. В годы Великой Отечественной войны по состоянию здоровья не попал на фронт, работал на оборонном заводе.

С 1944 года жил в Киеве; работал в газете «Сталинское племя» (1944—1949), журнале «Советская Украина» (1949—1950). В эти же годы дебютировал в художественной литературе как драматург; его пьесы «У порога» (1948) и «Наступает утро» (1950) пользовались недолгим и локальным успехом. Начиная с 1950-х, основным направлением его творчества стала проза о юношестве и для юношества.

Писателя отличало неприятие поверхностно-оптимистичного подхода к жизни. В его произведениях наряду с честными и гуманными людьми действуют стяжатели и жулики, равнодушные чиновники и карьеристы, трусы и подлецы, причем нередко они как бы заслоняют для юных персонажей позитивный мир.

Дубов изображает молодых людей в пограничных ситуациях, когда они сохраняют верность себе или ломаются, когда беда вынуждает их повзрослеть.

— Вольфганг Казак

Искренность и правдивость прозы Дубова, достоверность описанных им коллизий вызвала интерес не только у юных, но и у взрослых читателей, была оценена по высоким литературным критериям. Об этом свидетельствует тот факт, что многие его произведения, включая обе части романа-дилогии «Горе одному», впервые увидели свет в самом авторитетном «толстом» журнале «Новый мир».

Произведения Дубова имеют большое познавательное значение. Они рассказывают о природе, о животных, о море, о трудовых процессах, историческом прошлом.

Николай Дубов входил в четверку ведущих русскоязычных писателей Киева, тесно друживших между собой (Н. И. Дубов, В. П. Некрасов, Л. Н. Волынский, М. Н. Пархомов), о которой писали как о «киевской школе современной русской прозы».

Умер 24 мая 1983 года в Киеве. Похоронен на Байковом кладбище.