После окончания в 1936 году Московского института стали и сплавов, Сирота Н. Н. под руководством Курнакова Н. С. начинает работы по термодинамике и кинетике фазовых переходов, метастабильным состояниям конденсированных систем, которые явились крупным вкладом в развитие современного материаловедения. В 1939 году Сирота Н. Н. защищает кандидатскую, а в 1950 году — докторскую диссертации по этой тематике.
Научные работы Сироты Н. Н. посвящены физике и физической химии твёрдых тел. Он развил теорию фазовых превращений непервого рода, разработал теории образования метастабильных фаз в одно- и многокомпонентных системах и полиморфизма простых соединений.
Экспериментальные и теоретические работы Н. Н. Сироты и его учеников по проблемам межатомного взаимодействия в кристаллах, пространственному распределению электронной и спиновой плотностей, методам определения физических свойств по функциям атомного рассеяния, расчётам фононных спектров кристаллов, исследования физико-химических свойств ферримагнетиков, полупроводников и диэлектриков, выполненные в Институте физики твёрдого тела и полупроводников, получили мировую известность.
В 1975 году Н. Н. Сирота переехал из Минска в Москву. С 1978 года до конца жизни он заведовал кафедрой физики Московского государственного университета природообустройства.
Николай Николаевич Сирота скончался 6 января 2006 года. Похоронен на Хованском кладбище.
Сирота Н. Н. заведовал кафедрой физики Московского института цветных металлов и золота.
В 1956 году Сироту Н. Н. избирают академиком АН БССР и он переезжает в Минск. Здесь он организовал отдел, на базе которого в 1963 году создан Институт физики твёрдого тела и полупроводников Академии наук БССР, которым Сирота Н. Н. руководил до 1975 года.
В 1957 году по инициативе профессора Сироты Н. Н. в Белорусском государственном университете имени В. И. Ленина создана кафедра физики твёрдого тела и полупроводников, которую Сирота Н. Н. возглавлял до 1961 года.
Н. Н. Сирота подготовил более 90 кандидатов наук.
15 учеников Н. Н. Сироты стали докторами наук. В том числе:
Н. Н. Сирота — автор свыше 650 научных публикаций, в том числе 2 монографии, 60 изобретений.