Родился в Одессе в семье служащего в 1907 году. Детство и подростковые годы провёл в Мариуполе. Жил недалеко от Морвокзала. Учился в школе № 31. После окончания школы стал работать камбузником, юнгой, матросом на судах портфлота. После семилетки в 1925 году уезжает в Ростов-на-Дону учиться в морском политехникуме (ныне — Мореходное училище имени Седова). Плавал на баркентине «Вега».
В 1935 году он, уже как старший помощник капитана танкера «Азнефть», был призван в Военно-Морской Флот и стал слушателем Высших курсов по подготовке командиров для подводного плавания.
В 1938 году его арестовали по надуманному доносу. Через 13 месяцев Лунина освободили из-под стражи.
Когда началась Великая Отечественная война, Лунин командовал (с 1940 года) подводной лодкой «Щ-421» серии X типа «Щука» на Северном флоте. Под командованием капитана 3-го ранга Лунина «Щ-421», согласно его заявлениям, потопила семь кораблей и транспортов противника общим водоизмещением 49 тыс. тонн. Однако подтверждённым документально является потопление только одного парохода: 5 февраля 1942 года «Щ-421» потопила немецкий пароход «Консул Шульте» (2975 брт). В начале апреля 1942 года «Щ-421» была награждена орденом Красного Знамени. Тогда же Лунину было присвоено звание Героя Советского Союза.
28 февраля 1942 года Лунин получает новое назначение и становится командиром подводного крейсера «К-21».
18 июня 1942 года К-21 вышла в четвёртый поход с целью действия на морских коммуникациях противника в районе Вардё. 28 июня подводная лодка заняла позицию севернее острова Рольвсё с целью прикрытия конвоя PQ-17. 5 июля в 16.22 лодка установила акустический, а 17.00 — и визуальный контакт с немецкой эскадрой, состоявшей из линкора «Тирпиц», тяжёлых крейсеров «Адмирал Шеер» и «Адмирал Хиппер», семи эсминцев и двух миноносцев. Лунин принял решение атаковать противника, и начал маневрирование, завершившееся торпедным залпом из четырёх кормовых торпедных аппаратов в 18.01, после чего подводная лодка начала отрыв от эскадры на глубине 30 м. Атака осложнялась хорошей видимостью и малым волнением моря (что заставляло командира, во избежание обнаружения лодки, очень ограниченно пользоваться перископом), а также высокой скоростью и маневрированием немецкой эскадры. В частности, неожиданный манёвр немецких кораблей сорвал атаку из 6-ти носовых торпедных аппаратов, поэтому противник был атакован четырёхторпедным залпом из кормовых аппаратов, после чего лодка сразу пошла на погружение и легла на курс отхода. Непосредственно результатов атаки Лунин не наблюдал, на лодке лишь было зафиксировано два взрыва в 18.04, а также ряд глухих раскатистых взрывов в 18.31-18.38. В отчёте по итогам похода, Лунин посчитал достоверным попадание двух торпед в «Тирпиц», также допуская, что торпеды могли попасть и в эсминцы эскорта, после чего на нем взорвались глубинные бомбы (когда потопленный корабль (-и) достиг глубины, на которую были установлены взрыватели глубинных бомб). Впоследствии, уже после войны, Лунин изменил мнение и посчитал, что в «Тирпиц» попала только одна торпеда, вторая же, как он и считал ранее, попала в эсминец эскорта. По возвращении в базу, подводной лодке так и было засчитано: потопление эсминца и повреждение «Тирпица». Немецкие и другие зарубежные источники не подтверждают результативность атаки — запись о попаданиях отсутствует в сохранившихся вахтенных журналах «Тирпица» и других кораблей эскадры (в них вообще не отражён сам факт атаки, немцы её не обнаружили, почему и не стали преследовать подлодку), после атаки эскадра несколько часов продолжала идти высоким ходом, после возвращения на базу ремонт корабля не производился, отсутствуют какие-либо упоминания об атаке в воспоминаниях экипажа корабля. Также в настоящее время известна судьба всех эсминцев немецкого флота, 5 июля 1942 года потерь кораблей этого класса в немецком флоте не зафиксировано. Согласно расчётам и исследованиям к.и.н. М. Э. Морозова, К-21 не имела возможности попасть в «Тирпиц», поскольку Лунин допустил ошибки в определении параметров движения эскадры и стрелял с запредельной дистанции (около 20 кбт) под большим курсовым углом. Взрывы, услышанные на подлодке, объясняются взрывом торпед при ударе о грунт либо взрывами глубинных бомб, сброшенных одним из кораблей эскорта.
3 апреля 1943 года К-21 под командованием Лунина вышла в девятый боевой поход. 4 апреля подлодка выставила минное заграждение. 9 апреля была произведена атака миноносца шеститорпедным залпом, в подлодке слышали 2-3 взрыва, непосредственно гибель корабля не наблюдалась; в послевоенное время результативность данной атаки подтверждена не была. 12 апреля подлодка западнее острова Сенья обнаружила мачты мотоботов. Лунин принял решение всплыть и дать бой в надводном положении . Лодка всплыла вблизи целой флотилии норвежских невооруженных рыболовных мотоботов, занятых промыслом (данный район, называемый Свенсгрунн, богат рыбой). Норвежские рыбаки, подняв флаг, обозначили свою национальную принадлежность, что, тем не менее, не заставило Лунина отказаться от атаки. Первым было атаковано судно «Хавегга» с экипажем из 7 человек; в результате обстрела огнём артиллерии и стрелкового оружия были убиты трое и ранено ещё трое норвежских рыбаков, а судно было серьёзно повреждено. Далее был атакован мотобот «Барен», пытавшийся покинуть район боя; К-21 ограничилась очередью из пулемёта и сигналом, который норвежские рыбаки проинтерпретировали как запрет на отход к берегу. Следующей жертвой К-21 стал мотобот «Эйстейн», атакованный с расстояния 100 метров (рыбаки посчитали, что лодка подошла, чтобы попросить свежей рыбы). Мотобот был сильно повреждён артиллерийским огнём с близкой дистанции, пять рыбаков погибли, один был ранен. Экипаж ещё одного мотобота, «Скрейн», в составе 7 человек был под угрозой оружия заставлен перейти в подлодку. Последним был атакован мотобот «Фрейя», который в результате полученных повреждений затонул (погиб один и был ранен ещё один человек). При атаке мотоботов, помимо артиллерии, применялось также стрелковое оружие (ручной пулемет ДП, винтовки, пистолет-пулемёт ППШ, револьвер Наган), причём Лунин лично стрелял по рыбакам из ручного оружия В ходе боя, волной был смыт за борт лодки краснофлотец А. Лабутин, подносивший снаряды к орудию. Командир лодки не принял всех необходимых мер для его спасения, посчитав утонувшим. Лабутина подобрал мотобот «Барен» и доставил в норвежский посёлок, где он был передан немецким оккупационным властям и помещён ими в концлагерь. В 1944 году ему удалось бежать, пробраться в Швецию и оттуда — в СССР. Норвежские рыбаки были доставлены в Мурманск; после войны четверо из них вернулись в Норвегию, трое погибли в советских лагерях. Действия Лунина против мотоботов не были одобрены командованием, но никакого наказания он не понёс. По итогам боя, Лунин заявил о потоплении четырёх мотоботов, по норвежским данным, был потоплен один мотобот и два серьёзно повреждены.
На выставленных «К-21» минах 22 апреля 1943 подорвался немецкий пароход «Дюна» (1926 брт). Всего в ходе войны Лунину было засчитано потопление 17 кораблей и судов противника, из которых в послевоенное время было подтверждено только три (включая один норвежский мотобот).
В конце 1943 года Лунин был назначен командиром дивизиона подводных лодок Северного флота. В марте 1944 года он направляется на учёбу в Военно-морской академии, которую оканчивает в 1946 году в звании контр-адмирала.
После войны командовал соединениями подводных кораблей, стал кандидатом военных наук.
В 1946—1950 годах был начальником штаба учебной бригады подводных лодок, командиром учебного дивизиона подводных лодок 2-ой бригады подводных лодок 8-го ВМФ. Потом проходил службу в госприёмке:
С мая 1956 года по январь 1957 года Н. А. Лунин — командир отдельной бригады подводных лодок Северного флота, потом в 1958—1961 годах занимал должности заместителя начальника 1-го научно-исследовательского института ВМФ, начальника 9-го управления данного института. С апреля 1962 года контр-адмирал Н. А. Лунин — в запасе.
Весной 1962 года по состоянию здоровья ушёл в отставку, но по-прежнему ходил на судах в Арктику и Антарктику капитаном дальнего плавания.
В 1967 году он в последний раз побывал в Мариуполе.
17 ноября 1970 года скончался. Похоронен с воинскими почестями на Богословском кладбище в Ленинграде.