Родился 2 июня 1981 г. в гор. Северодонецке Украинской ССР.
Начал играть в теннис вместе со старшим братом Эдуардом (1970 г.р.). Когда Николаю было 11 лет, братья переехали на постоянное место жительства в Волгоград. После четырех лет тренировок в России Эдуард и Николай уехали в Германию в г. Зальмталь, где прожили три года и подали запрос на принятие немецкого гражданства. Получив отказ, братья вернулись в Россию.
Николай Давыденко стал гражданином России в 1999 г. В том же году он перешел в профессиональный спорт. С 2000 г. начал выступления в туре Ассоциации теннисистов-профессионалов (ATP). На дебютном для себя турнире ATP в Амстердаме Давыденко дошел до полуфинала. В 2001 г. впервые принял участие в турнире Большого шлема – Открытом чемпионате Австралии, где достиг 2-го круга. В июле того же года вошел в первую сотню рейтинга сильнейших теннисистов мира.
Свой первый титул на турнирах ATP Николай Давыденко выиграл в Аделаиде (Австралия) 5 января 2003 г. Спустя три месяца он одержал победу в Оэйраше (Португалия). Третий титул в ATP-туре Давыденко выиграл в мае 2004 г. в Мюнхене.
Летом 2004 г. Давыденко стал участником Олимпийских игр в Афинах, однако в первом раунде одиночного разряда уступил швейцарцу Роджеру Федереру, а в парном разряде вместе с Игорем Андреевым потерпел поражение во втором круге. Также выступал на Олимпиадах 2008 и 2012 гг.
Осенью 2004 г. впервые в карьере стал победителем Кубка Кремля, причем как в одиночном, так и в парном разряде (с Игорем Андреевым). Впоследствии Давыденко еще дважды выигрывал московский турнир в одиночном разряде: в 2006 и 2007 гг.
В 2005 г. Давыденко впервые добился успехов на турнирах Большого шлема: он вышел в четвертьфинал Открытого чемпионата Австралии и в полуфинал "Ролан Гаррос". По итогам 2005 г. россиянин занял в рейтинге ATP 5-е место.
В 2006 г. в Париже Давыденко впервые в карьере выиграл турнир серии Masters, что позволило ему завершить сезон на третьей позиции в рейтинге сильнейших теннисистов мира. В декабре 2006 г. сборная России, за которую в финальной встрече против Аргентины играли Николай Давыденко, Марат Сафин и Дмитрий Турсунов, завоевала престижный командный трофей Кубок Дэвиса.
Давыденко не покидал первую десятку рейтинга до апреля 2009 г. В ноябре 2009 г. россиянин одержал победу на финале Мирового тура ATP в Лондоне. По ходу турнира он нанес поражения трем рейтинговым лидерам сезона-2009: сербу Новаку Джоковичу, испанцу Рафаэлю Надалю и швейцарцу Роджеру Федереру. В финальном матче россиянин в двух сетах переиграл аргентинца Хуана Мартина дель Потро. Давыденко стал первым среди российских теннисистов-мужчин победителем итогового турнира ATP.
Начиная с 2010 г. Давыденко успешнее всего выступал на турнире в Дохе, (победа в 2010 г., выход в финал в 2011 и 2013 гг.), также в 2011 г. он выиграл титул в Мюнхене. Свою последнюю по счету победу на турнире ATP россиянин одержал в феврале 2014 г. в Монпелье в паре с Денисом Истоминым, представляющим Узбекистан.
16 октября 2014 г. на специальной пресс-конференции объявил о завершении карьеры. По словам Давыденко, он принял решение уйти из тенниса из-за травм и планирует заниматься международным бизнесом.
В общей сложности за карьеру Николай Давыденко выиграл 21 титул в одиночном разряде, в том числе финал Мирового тура (2009) и три турнира серии Masters (Париж-2006, Майами-2008, Шанхай-2009). Лучшими достижениями россиянина на турнирах Большого шлема являются полуфиналы "Ролан Гаррос" (2005, 2007) и Открытого чемпионата США (2006, 2007). Также на счету Давыденко два титула в парном разряде. Общая сумма призовых, заработанных россиянином за карьеру, превышает 16 млн долларов США.
Заслуженный мастер спорта (2007).
Владеет английским и немецким языками.
Женат (с ноября 2006 г.) Супруга Ирина, в прошлом работала моделью. Дочь – Екатерина (2012 г. рождения). Брат Эдуард был личным тренером Николая на протяжении большей части его карьеры. Сын Эдуарда Филипп Давыденко (1992 г.р.) – российский теннисист.
Увлекается рыбалкой, любит смотреть соревнования по футболу и хоккею.