Родился 1 декабря 1950 г. в с. Верх-Суетка Благовещенского района (ныне административный центр Суетского района) Алтайского края.
В 1973 г. окончил Алтайский государственный медицинский институт (с 1994 г. - университет; г. Барнаул) по специальности "лечебное дело" (квалификация - хирург).
Доктор медицинских наук. В 1986 г. получил степень кандидата медицинских наук. В 1989 г. во Втором Московском государственном медицинском институте им. Н. И. Пирогова защитил докторскую диссертацию на тему "Неотложная хирургическая помощь сельским жителям при острых заболеваниях органов брюшной полости в регионах с обширной территорией и малой плотностью населения".
Член-корреспондент (1997), академик Российской академии медицинских наук (2002). Академик Российской академии наук (2013). Профессор (1992).
В 1973-1980 гг. - хирург, заведующий отделением, главный врач Благовещенской центральной районной больницы (пос. Благовещенка, Алтайский край).
С 1980 по 1985 г. работал в Алтайской краевой клинической больнице (Барнаул). Был заведующим отделением санитарной авиации, заместителем главного врача по хирургии.
В 1985 г. был назначен главным хирургом Алтайского края. В 1990-1995 гг. - председатель комитета по здравоохранению администрации Алтайского края.
С 1992 по 1996 г. возглавлял межрегиональную ассоциацию "Здравоохранение Сибири", объединившую руководителей органов здравоохранения Алтайского и Красноярского краев, Новосибирской, Кемеровской, Томской областей.
Одновременно занимался преподавательской деятельностью. В 1992 г. был избран профессором кафедры факультетской хирургии Алтайского государственного медицинского института. В 2000 г. организовал и возглавил кафедру основ законодательства в здравоохранении при факультете управления здравоохранением Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова (Первый Московский государственный медицинский университет им. И. М. Сеченова).
С 1995 по 2021 г. - депутат Государственной думы II-VII созывов.
17 декабря 1995 г. был избран в Госдуму II созыва по Рубцовскому одномандатному избирательному округу №36 Алтайского края (выдвигался межрегиональной ассоциацией "Здравоохранение Сибири"). На выборах набрал 32,26% голосов. В Думе входил в состав депутатской группы "Российские регионы", был председателем комитета ГД по охране здоровья. Один из авторов закона "Об ограничении курения табака".
19 декабря 1999 г. был избран в Госдуму III созыва по Рубцовскому одномандатному избирательному округу №36 Алтайского края (был выдвинут избирателями) с результатом 61,64% голосов. Был членом депутатской группы "Народный депутат", председателем парламентского комитета по охране здоровья и спорту.
7 декабря 2003 г. был избран в Госдуму IV созыва по Алейскому одномандатному избирательному округу №35 Алтайского края, получив 54,04% голосов. Баллотировался от Народной партии РФ. В Госдуме вошел в состав фракции "Единая Россия", был заместителем председателя думского комитета по охране здоровья.
Одновременно с июня 2007 г. по июль 2008 г. являлся секретарем политсовета алтайского регионального отделения партии "Единая Россия".
2 декабря 2007 г. был избран в Госдуму V созыва по списку партии "Единая Россия" (№2 региональной группы №22; Алтайский край). Был членом фракции "Единая Россия", первым заместителем председателя комитета ГД по охране здоровья.
4 декабря 2011 г. вновь был избран в Госдуму VI созыва по списку партии "Единая Россия" (№4 региональной группЫ №22; Алтайский край). Входил в состав партийной фракции, занимал пост первого заместителя председателя комитета Госдумы по науке и наукоемким технологиям (январь - июль 2012 г.), затем первого заместителя председателя комитета по охране здоровья (с июля 2012 г.).
18 сентября 2016 г. Николай Герасименко был избран депутатом Госдумы VII созыва по списку партии "Единая Россия" (№5 региональной группы №6; Республика Алтай, Алтайский край, Кемеровская, Томская области). Вошел во фракцию "Единая Россия".
24 октября 2019 г. Госдума дала согласие Генпрокуратуре на снятие депутатской неприкосновенности с Николая Герасименко (за - 329, против - 3, воздержался - 1). 23 июня 2019 г. депутат стал участником ДТП на Ленинском проспекте, сбив на своем автомобиле "Лексус" мотоциклиста. В отношении парламентария было возбуждено дело об административном правонарушении по ч. 2 ст. 12.24 КоАП (нарушение правил дорожного движения, повлекшее причинение вреда здоровью потерпевшего средней тяжести). 18 ноября 2019 г. Гагаринский суд Москвы лишил Герасименко права управления транспортным средством на срок 1,5 года.
В течение ряда лет Николай Герасименко возглавлял российскую Ассоциацию медицинских обществ по качеству медицинской помощи и медицинского образования.
Был вице-президентом Европейского парламентского форума по народонаселению и развитию, общероссийской общественной организации "Общество врачей России", входил в правление Российского общества хирургов, совет общероссийской общественной организации "Лига здоровья нации".
Награжден орденами Почета (2000), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2011), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2006), Почетной грамотой президента РФ (2014), благодарностью правительства (2018).
Имеет орден Святого мученика Трифона Русской православной церкви (1999).
Награжден золотой медалью и почетным дипломом Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) "за выдающийся вклад дело борьбы с табаком", дипломом и памятным знаком Всемирной противораковой ассоциации в номинации "Государственный деятель, внесший выдающийся вклад в борьбу с табаком в Российской Федерации".
Заслуженный врач РСФСР (1991).
Автор более 340 научных работ, в том числе монографий, книг и учебных пособий. Среди них "Власть и здоровье нации: что ожидает Россию в XXI в." (1997), "Очерки становления современного российского законодательства в области охраны здоровья граждан" (2001), "Формирование политики в отношении табака и общественное здоровье в России" (2002; в соавторстве) и др.
Владеет английским языком.