Выдающийся учёный гидроэнергетик, доктор технических наук, член-корреспондент Российской академии наук. Герой Социалистического Труда (1957).
Родился 22 февраля (9 февраля по старому стилю) 1908 года в Полтаве.
Там же окончил профессионально-техническую школу (1925), затем — Ленинградский технологический институт (1930).
С 1930 по 1958 годы работал на Ленинградском металлическом заводе им. Сталина: конструктором, заместителем главного конструктора, главным конструктором гидротурбин (1945—1958). Начиная с 1945 года руководил всеми конструкторскими, экспериментально-исследовательскими и монтажными работами по гидротурбостроению.
Под руководством Н. Н. Ковалёва выполнены проекты многих типов крупных гидротурбин, в том числе поворотно-лопастных вертикальных турбин для Угличской (выпущена в 1939 году) и Рыбинской ГЭС (1940 год) — крупнейших в мире гидротурбин для равнинных рек.
Под его руководством были созданы радиально-осевые гидротурбины мощностью по 75 МВт для восстанавливаемой после войны ДнепроГЭС. Также он участвовал в проектировании и изготовлении поворотно-лопастных вертикальных турбин мощностью по 126 МВт для каскада Волжских ГЭС (Цимлянской, Горьковской, Куйбышевской и Сталинградской), радиально-осевых гидротурбин Братской и других крупных ГЭС в нашей стране и за рубежом.
После перехода в ЦКТИ им. Ползунова (1958) — привлёк многих учёных АН СССР к работам в области гидротурбостроения, создал отдел и лабораторию, которые провели глубокие теоретические исследования, лабораторные и натурные испытания, что позволило на их основе разрабатывать гидротурбины высокого технического уровня, а также подходы к модернизации действующего оборудования ГЭС.
В период работы на Металлическом заводе занимался преподавательской деятельностью: доцент кафедры гидромашин ЛПИ им. Калинина (1939—1953), профессор (1953). Является автором многих научных трудов в области гидротурбостроения.
Н. Н. Ковалёв вёл большую общественную работу. Как председатель Всесоюзного научно-технического общества энергетиков и электротехников осуществлял связь науки с производством.
Депутат Верховного Совета РСФСР (1951—1955), депутат Ленинградского городского Совета шести созывов, член Ленинградского ОК КПСС (1952—1954, 1956—1958), член Советского Комитета защиты мира (с 1952 года).
Умер 23 марта 2003 года.
Труд Н. Н. Ковалёва отмечен высокими правительственными наградами:
Отмечалось 100-летие со дня рождения Н. Н. Ковалёва