В 1916 году окончил философское отделение историко-филологического факультета Московского университета, затем преподавал психологию в ряде институтов Москвы. В 1920-е годы занимался философскими проблемами, будучи учеником и сотрудником Г. Г. Шпета. Подготовил несколько работ по философии, которые остались неопубликованными. В 1947 году в Институте психологии защитил кандидатскую диссертацию «Интонация речи в связи с общими проблемами экспрессии». В 1959 году защитил докторскую диссертацию на тему «Механизмы речи», в которой была использована оригинальная методика кинорентгеносъёмки.
В 1958 году вышла его ставшая впоследствии классической работа «Механизмы речи», после чего её автор «проснулся знаменитым». Основные положения книги предшествовали появлению отечественной теории речевой деятельности, оказали влияние на учёных этой области языкознания (таких, как А. А. Леонтьев, Т. В. Рябова (Ахутина), И. А. Зимняя, А. А. Залевская и др.), а также определили направления экспериментальных исследований. Однако наибольший резонанс получила статья в «Вопросах языкознания» «О кодовых переходах во внутренней речи», в которой на основе результатов оригинальных экспериментов постулируется взаимосвязь языка, интеллекта и сенсорики, границу между которыми часто трудно определить. Универсальный предметный код (УПК) — это стык речи и интеллекта, трактуемый Н. И. Жинкиным как наследуемый генетически.
В дальнейшем эти и другие идеи Н. И. Жинкина были им обобщены в книгах «Речь как проводник информации» и «Язык. Речь. Творчество». Ему принадлежит ставшая крылатой фраза: «Понимать надо не речь, а действительность». Его суждения о взаимодействия тела и разума человека, не теряя своей актуальности, звучат удивительно современно.
Н. И. Жинкин обосновал трактовку внутренней речи как механизма речемыслительной деятельности — субъективного языка, языка-посредника (или «круговорота кодов»), который субъективно не осознаётся, но обеспечивает понимание между говорящими на одном или разных языках людьми. Н. И. Жинкин по праву считается одним из непосредственных предшественников отечественной психолингвистики, его идеи активно используются и развиваются в таких современных направлениях, как когнитивная лингвистика и психология.