Родился 3 августа 1946 г. в Москве в семье инженеров-экономистов Петра Диомидовича Бурляева (1907-1989) и Татьяны Александровны Михайловой (1911-1998).
В детские годы начал участвовал в кинопробах. Первую роль получил благодаря случайному уличному знакомству с начинающим режиссером Андреем Кончаловским. В 1960 г. снялся в главной роли в его курсовой работе - короткометражном фильме "Мальчик и голубь".
Во время обучения в школе в 1961 г. Николай Бурляев дебютировал в Государственном академическом театре им. Моссовета в спектакле "Ленинградский проспект" по пьесе Исидора Штока. До 1964 г. выступал в нем в роли внука главного героя Василия Забродина, которого играл артист Николай Мордвинов.
Андрей Кончаловский рекомендовал Николая Бурляева своему другу и коллеге Андрею Тарковскому на главную роль в картине "Иваново детство" (1962). На Венецианском кинофестивале (Италия) 1962 г. эта лента впервые в истории советского кинематографа была удостоена основной награды - "Золотого льва", а фильм "Мальчик и голубь" получил "Бронзового льва" - приз на конкурсе фильмов для детей и юношества.
После этого Николай Бурляев снялся в фильмах "Без страха и упрека" (1963, режиссер Александр Митта), "Вступление" (1963, Игорь Таланкин), "Метель" по повести Александра Пушкина (1964, Владимир Басов).
В 1964 г. по результатам прослушивания ректором Борисом Захавой без экзаменов был зачислен на второй курс Театрального училища им. Б. В. Щукина (ныне Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евг. Вахтангова).
В 1966 г. Николай Бурляев был снова приглашен Андреем Тарковским для участия в съемках - на главную роль Бориски в новелле "Колокол", завершающей кинодраму "Андрей Рублев". Фильм вышел на экраны лишь в 1971 г. в сокращенной версии, а в 1988 г. с другим названием - "Страсти по Андрею". Картина получила несколько международных призов.
В 1967 г. Николай Бурляев окончил актерский факультет Театрального училища им. Б. В. Щукина. Выпускник мастерской заслуженного артиста РСФСР Леонида Шихматова. Получив высшее образование, поступил на работу в Московский театр им. Ленинского комсомола (ныне Московский государственный театр "Ленком Марка Захарова"), в котором служил в 1967-1968 гг. Также играл отдельные роли в постановках Московского театра сатиры и Московского театра юного зрителя. В последующие годы в основном был занят в кинематографе.
В конце 1960-х - начале 1970-х гг. Николай Бурляев снимался в фильмах "Мама вышла замуж" (1969, Виталий Мельников), "От нечего делать" по рассказу Антона Чехова (1969, Сергей Соловьев) - одной из четырех новелл альманаха "Семейное счастье", "Игрок" по роману Федора Достоевского (1972, Алексей Баталов) и др.
В 1975 г. окончил режиссерский факультет Всесоюзного государственного института кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова), где учился в мастерской Михаила Ромма и Льва Кулиджанова. В своей дипломной работе - "Ванька-Каин" - выступил автором сценария, режиссером и исполнителем главной роли. Фильм стал одной из трех новелл киноальманаха "Пошехонская старина" по роману Михаила Салтыкова-Щедрина.
В 1970-х гг. Николай Бурляев продолжал сниматься в кино. Среди фильмов с его участием: "Трын-трава" (1976, Сергей Никоненко), "Маленькие трагедии" по произведениям Александра Пушкина (1979, Михаил Швейцер), "Отпуск в сентябре" по мотивам пьесы Александра Вампилова "Утиная охота" (1979, Виталий Мельников).
В 1983 г. исполнил главную роль в мелодраме Петра Тодоровского "Военно-полевой роман". Лента была удостоена ряда кинематографических наград и номинирована на премию "Оскар" в категории "Лучший фильм на иностранном языке".
Затем последовали роли в кинокартинах "Чужая жена и муж под кроватью" по мотивам рассказов Федора Достоевского (1984, Виталий Мельников) и "Контрудар" (1985, Владимир Шевченко). В этот же период Николай Бурляев снялся в фильмах своей супруги, режиссера Натальи Бондарчук - "Детство Бемби" (1985) и "Юность Бемби" (1986).
В 1987 г. Николай Бурляев поставил по собственному сценарию фильм "Лермонтов" и исполнил в нем главную роль. В 1990 г. он снял киноленту "Все впереди" по произведению Василия Белова.
В дальнейшем исполнял роли в фильмах "Мастер и Маргарита" по роману Михаила Булгакова (1994, Юрий Кара; впервые показана в 2011 г.), "Какая чудная игра" (1995, Петр Тодоровский), "Любовь и правда Федора Тютчева" (2003, Наталья Бондарчук), "Адмирал" (2008, Андрей Кравчук). В общей сложности Николай Бурляев снялся в более чем 60 фильмах.
Основатель и президент Международного кинофорума "Золотой витязь" (с 1992 г.).
В 2015-2018 гг. Николай Бурляев возглавлял Институт культуры Академии государственной противопожарной службы МЧС России.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. по списку партии "Справедливая Россия - Патриоты - За правду" (СРПЗ). Баллотировался под вторым номером в составе региональной группы №35 (Владимирская, Ивановская и Ярославская обл.). С 12 октября 2021 г. - первый заместитель председателя комитета Госдумы по развитию гражданского общества, вопросам общественных и религиозных объединений.
Член Союза кинематографистов РФ, Национальной академии кинематографических искусств и наук России, Союза писателей России.
Народный артист РФ (1996).
Награжден орденами Почета (2011) и Александра Невского (2017).
Лауреат премии Ленинского комсомола (1976).
Отмечен Российской национальной актерской премией "Фигаро" им. Андрея Миронова в номинации "Легенда российской культуры" (2021).
Автор книги "Одолевая радостью страданья" (2003) и сборника "Жизнь в трех томах" (2011).
Женат третьим браком. Супруга - Инга Шатова (род. 1967, актриса). Сын - Илья, дочь - Дарья. Первой женой Николая Бурляева была заслуженная артистка РСФСР Наталья Варлей (род. 1947). Вторая супруга - заслуженная артистка РСФСР, актриса и режиссер Наталья Бондарчук (род. 1950). Дети - Иван (род. 1976, композитор) и Мария (род. 1987, актриса). Также у Николая Бурляева есть сын Георгий.