Николай Двигубский родился во Франции в семье русских эмигрантов. Он двоюродный брат Марины Влади. Окончил Французскую академию художеств. В 1956 году с родителями переехал в СССР. Окончил ВГИК по специальности «художник-постановщик». В институте близко познакомился с Андреем Кончаловским, весьма интересовавшимся Западом. Работал на фильмах Кончаловского, Андрея Тарковского, Юлия Райзмана, Глеба Панфилова.
В СССР был трижды женат: на актрисах Жанне Болотовой (во время учёбы во ВГИКе), Ирине Купченко (после сьёмок «Дворянского гнезда», 1969) и Наталье Аринбасаровой, 1970. От последней у него дочь — Екатерина Двигубская (род. 1974), актриса, кинорежиссёр и писательница.
В 1980 году Двигубский вернулся в Париж, женился на француженке Женевьеве. Писал картины в своём замке в Нормандии. Умер 25 октября 2008 года.