Н. Н. Асеев родился 28 июня (10 июля) 1889 года в городе Льгове (ныне Курской области) в семье страхового агента Николая Николаевича Штальбаума. Мать поэта Елена Николаевна, урождённая Пинская, умерла молодой, когда мальчику ещё не было 8 лет. Отец вскоре женился вторично. Детские годы провел в доме у деда, Николая Павловича Пинского, заядлого охотника и рыболова, любителя народных песен и сказок и замечательного рассказчика. Бабка Варвара Степановна Пинская была в молодости крепостной, выкуплена из неволи дедом, влюбившимся в неё во время одного из своих охотничьих скитаний. Она много помнила из быта старой деревни.
Мальчик был отдан в Курское реальное училище, которое окончил в 1909 году. Затем учился на экономическом отделении в Московском коммерческом институте (1909—1912) и на филологических факультетах Московского и Харьковского университетов. В 1915 году призван в армию и попадает на австрийский фронт. В сентябре 1917 года он избран в полковой Совет солдатских депутатов и вместе с эшелоном раненых сибиряков отправляется в Иркутск. Во время Гражданской войны оказался на Дальнем Востоке. Заведовал биржей труда, затем работал в местной газете, сначала выпускающим, позже в качестве фельетониста.
В 1920 году вызван в Москву телеграммой А. В. Луначарского. Участник группы «Творчество» вместе с С. М. Третьяковым, Д. Д. Бурлюком, Н. Ф. Чужаком. В 1922 году приехал в Москву. С 1931 года и до своей кончины жил в «Доме писательского кооператива» в Камергерском переулке, о чём напоминает установленная на здании мемориальная доска. В годы войны, как невоеннобязанный по возрасту, находился в эвакуации в Чистополе.
Н. Н. Асеев умер 16 июля 1963 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 6).
В своём письме Б. Пастернаку в 1956 г. дочь М. И. Цветаевой А. С. Эфрон называет его убийцей своей матери («Для меня Асеев — не поэт, не человек, не враг, не предатель — он убийца, а это убийство — похуже Дантесова»). Будучи в эвакуации, через несколько дней после разговора с Н. Асеевым в Чистополе, Марина Цветаева, вернувшись в Елабугу, 31 августа 1941 года покончила жизнь самоубийством. Однако в предсмертной записке Цветаевой, адресованной Асеевым, не содержится каких-либо упрёков в его адрес.
В честь поэта названа улица Асеева в Москве. Курская областная научная библиотека и одна из улиц Курска носят имя Асеева. В городе Льгове действует литературно-мемориальный музей поэта, его именем названа улица.
Начал печататься в 1909 года. С 1914 года Асеев вместе с С. П. Бобровым и Б. Л. Пастернаком являлся одним из ведущих представителей кружка «Лирика», затем группы «Центрифуга», исповедовавшей футуризм. Первый сборник поэта «Ночная флейта» (1914) носил следы влияния символистской поэзии. Знакомство с произведениями В. В. Хлебникова, увлечение древнеславянским фольклором сказались в сборниках «Зор» (1914), «Леторей» (1915). Творческое общение с В. В. Маяковским (с 1913) помогло формированию таланта Асеева. В его поэзии усиливаются революционные мотивы. Сборник «Бомба» (1921) был сожжён интервентами вместе с разгромленной типографией. «Марш Буденного» из поэмы «Буденный» (1922) стал популярной песней (музыка А. А. Давиденко). С 1923 участвовал в литературной группе «ЛЕФ». Поэма «Лирическое отступление» (1924) вызвала бурные дискуссии. Здесь Асеев сокрушается по поводу уступок в идеологической сфере и критически изображает искажение революционной идеи в новой политической обстановке НЭПа.
Революционно-романтическим пафосом проникнуты поэмы «Свердловская буря» (1924), «Семен Проскаков» (1928), стихи о революционерах («Синие гусары», 1926, «Чернышевский», 1929), «Поэма о двадцати шести бакинских комиссарах» (1925 — типичный пример агитационной лирики в стиле Маяковского). Поэма «Маяковский начинается» (1940).
Опубликовал за свою жизнь более 70-ти стихотворных сборников.
Переводил стихи Мао Цзэдуна.
Жена — Ксения Михайловна (урожд. Синякова) (1900—1985)