Инженер-физик по образованию, Николай Рукавишников стал первым гражданским командиром космического корабля. Также впервые в истории космонавтики он вручную совершил посадку в аварийном режиме — в апреле 1979 при полёте на корабле Союз-33.
Родился 18 сентября 1932 в г. Томске в семье железнодорожников. В 1951 поступил в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). В 1957 закончил факультет электронных вычислительных устройств и средств автоматики МИФИ и получил квалификацию инженера-физика по специальности «Диэлектрики и полупроводники». После окончания института работал в научно-исследовательском институте, в ОКБ-1 (КБ С. П. Королёва).
В 1967 зачислен в отряд советских космонавтов (1967 Группа гражданских специалистов № 2 (дополнительный набор). Прошёл полный курс подготовки к полётам на кораблях типа «Союз» и орбитальных станциях типа «Салют».
В 1965—1969 годах Рукавишников входил в группу советских космонавтов, готовившихся по советским программам облёта Луны Л1/«Зонд» и посадке на неё Л3.
Полёт пилотируемого корабля «Зонд-7» по лунно-облётной программе был предварительно назначен на 8 декабря 1968 года. По предварительным назначениям, Рукавишников входил в состав главного экипажа. Но полёт был отменён, несмотря на то, что экипажи написали заявление в Политбюро ЦК КПСС с просьбой разрешить немедленно лететь к Луне для обеспечения приоритета СССР (американцы планировали аналогичный пилотируемый полёт на 21—27 декабря 1968 года). Дело в том, что предыдущие беспилотные полёты кораблей «Зонд» (Л1) были полностью или частично неудачными из-за неотработанности корабля и ракеты-носителя «Протон». Приоритет остался за США - «Аполлон-8» в запланированные сроки совершил пилотируемый облёт Луны.
Рукавишников также входил в один из экипажей, которые должны были выполнить экспедиции на Луну с высадкой на неё командира экипажа (Рукавишников должен был оставаться на окололунной орбите) по параллельной лунно-посадочной программе, которая также была отменена ввиду полного проигрыша СССР в «лунной гонке» после успешной высадки американцев на Луну на «Аполлоне-11» в июле 1969 года.
23 — 25 апреля 1971 совершил свой первый космический полёт в качестве инженера-испытателя космического корабля Союз-10. (Н. Н. Рукавишников стал первым космическим инженером-испытателем). Программа полёта предусматривала трёхнедельную работу на борту орбитальной космической станции Салют-1. Однако из-за технических неисправностей работа на станции была отменена и полёт был прерван. После завершения полёта впервые была осуществлена ночная посадка космического корабля. Полёт продолжался 1 сутки 23 часа 45 минут 54 секунды. После первого космического полёта продолжил подготовку к новым полётам. С мая 1973 года проходил подготовку по советско-американской программе ЭПАС. Был назначен бортинженером второго экипажа.
2 — 8 декабря 1974 совершил второй космический полёт в качестве бортинженера космического корабля Союз-16. В полёте были проведены испытания стыковочного узла, созданного по программе ЭПАС. Полёт продолжался 5 суток 22 часа 23 минуты 35 секунд. Являлся членом дублирующего экипажа при полёте космического корабля Союз-19 (июль 1975). В дальнейшем проходил подготовку по программам международных полётов. Являлся членом дублирующего экипажа при советско-чехословацком полёте в марте 1978.
10 — 12 апреля 1979 совершил свой третий космический полёт в качестве командира космического корабля Союз-33. Полёт проходил в рамках советско-болгарского проекта и предусматривал работу на борту орбитальной станции Салют-6. Из-за аварии двигателя корабля стыковка не состоялась и корабль совершил преждевременную посадку. Полёт продолжался 1 сутки 23 часа 1 минуту 6 секунд.
Проходил подготовку к советско-индийскому полёту, но из-за болезни в полёте не участвовал. За 3 рейса в космос налетал 9 суток 21 час 10 минут 35 секунд. После ухода из отряда космонавтов работал заместителем начальника отделения НПО «Энергия». Председатель Федерации космонавтики СССР (1981—1991). Президент Федерации космонавтики России (1991—1999), a c 1999 года — ее почётный президент.
Умер 19 октября 2002 от инфаркта. Похоронен в Москве на Останкинском кладбище.