Николай Васильевич Пинегин родился в городе Елабуга Вятской губернии в семье земского ветеринарного врача. В 17 лет Николай ушёл из родительского дома, разъезжал с бродячими артистами по волжским городам, играл в духовом оркестре, рисовал портреты на заказ.

В 1907 году поступил в Петербургскую Академию художеств. Некоторое время он подрабатывал чертёжником на железной дороге, и даже работал землемером. Летом 1908 года отправился на север, в Архангельск, где стал членом Общества изучения русского Севера. Совершил путешествие по Туломе, Нотозеру, побывал в Коле, Печенге, на Айновых островах. После поездки в «Известиях Архангельского общества изучения русского Севера» (№ 13, 1909) появилась первая литературная работа Пинегина — «Айновы острова» — с описанием птичьих базаров.

В 1912 году в Архангельске от исследователя Г. Я. Седова Пинегин получил предложение об участии в полярной экспедиции на судне «Святой Фока». В течение всей поездки Николай Васильевич делал зарисовки, фотографировал и вёл киносъёмку. Он стал первым русским полярным кинооператором, сняв целый документальный фильм об экспедиции. Во время плавания Пинегин освоил основы навигации, астрономии, кораблевождения. Под руководством В. Ю. Визе изучил метеорологию, став квалифицированным наблюдателем-метеорологом. Своему другу, Г. Я. Седову, Пинегин посвятил книгу «В ледяных просторах» (1933). Тираж документальной повести «Георгий Седов» (1941) почти полностью погиб при бомбёжке Ленинграда.

Николай Васильевич окончил Академию художеств в 1916 году. За рисунки, выполненные на Севере, был удостоен премии имени А. И. Куинджи.

В 1924 году отправился на Новую Землю в составе гидрографической экспедиции. Вместе с полярным лётчиком Б. Г. Чухновским совершил девять полётов над архипелагом и прилегающей к нему частью Карского моря. Сделанные во время рейсов фотоснимки и зарисовки были затем использованы при составлении карты побережья Новой Земли. Прочитать об этой экспедиции можно в «Записках полярника» (1936).

В 1928 году по поручению Полярной комиссии Академии наук Пинегин руководил постройкой геофизической станции на мысе Шалаурова острова Большой Ляховской. В 1929–1930 годах Н. В. Пинегин возглавил коллектив зимовщиков этой станции, принимал участие в научных наблюдениях. Свои впечатления об экспедиции он изложил в книге «В стране песцов» (1933).

В 1930 году, вернувшись в Ленинград, он начал работать в Арктическом институте. Одним из его заданий было участие в создании музея Арктики. Пинегин стал первым заведующим Музея. В 1931–1934 годах редактировал «Бюллетень Арктического института».

В 1934 году Пинегин ушёл из Арктического института и полностью сосредоточился на литературе и живописи.

Именем Николая Васильевича Пинегина названы: юго-западный мыс залива Иностранцева на западном побережье Новой Земли, мыс на востоке о. Брюса, озеро на севере о. Земля Александры в архипелаге Земля Франца-Иосифа и улица в Невском районе г. Санкт-Петербурга.