Родился 22 мая 1915 года в городе Ряжске ныне Рязанской области в семье железнодорожника.
Окончил школу-семилетку в 1930 году, железнодорожное фабрично-заводское училище на станции Новосибирск. С 1932 по 1946 год трудился в паровозном депо станции Новосибирск Томской железной дороги, сначала слесарем, через несколько месяцев стал помощником машиниста. В декабре 1934 года окончил курсы машинистов на станции Тайга Томской железной дороги и с августа 1935 года начал самостоятельно водить поезда.
В 1940 году старший машинист паровоза Николай Лунин на собрании своей бригады принял решение отказаться от услуг слесарей и ремонт производить своими силами. Это дало большую экономию топлива, запасных частей, материалов, рабочей силы, что впоследствии, в годы войны, имело огромное значение. В Новосибирское депо стали приезжать за опытом паровозники Москвы, Закавказья, Поволжья, Средней Азии. Почин Лунина получил широкое распространение на транспорте и в других отраслях промышленности, он получил общепринятое наименование «лунинское движение», а применявших его членов паровозных бригад по всему СССР именовали «лунинцами». Член ВКП(б)/КПСС с 1941 года.
Николаю Лунину поручили освоить первый в Новосибирском депо паровоз серии ФД20.
Когда на Коломенском паровозостроительном заводе выпустили юбилейный 3000-й паровоз «ФД», то на заводском митинге приняли решение: юбилейный паровоз отправить Лунину. Лунинский первый паровоз, на котором он начинал работать, приспособили под бронепоезд.
В 1941 году Н.А. Лунин выступил инициатором новой идеи в развитие предыдущей – овладение каждым членом паровозной бригады ремонтными специальностями. В результате еще более сократилось время трудозатрат на ремонт каждого паровоза, зато высвободилось рабочее время для ремонта большего количества паровозов в ремонтных депо, сократилось время на мелкий оперативный ремонт и обслуживаУже к январю 1942 года на Томской железной дороге профессией слесаря-ремонтника овладели 98% машинистов, 94% помощников машинистов, 63% кочегаров. Этот почин при значительной нехватке рабочей силы, материалов и запчастей получил широкое распространение на транспорте и в ряде отраслей народного хозяйства в виде овладения смежными профессиями.
В 1942 году он стал лауреатом Сталинской премии за внедрение новых методов организации производства. На полученную премию Лунин купил эшелон угля для Сталинграда и лично доставил его в феврале 1943 года в только что освобожденный и полностью разрушенный город. Оставшиеся деньги передал в детский дом для детей погибших воинов Красной Армии.
В годы войны «лунинское движение» приобрело новое содержание – максимальный пробег паровозов без ремонта. В 1942 по методу Лунина работали свыше 7,8 тыс. паровозных бригад. Экономия благодаря лунинскому движению составила на Томской железной дороге в 1941 году свыше 7 миллионов рублей, в 1942 – около 11 миллионов, в 1943 – свыше 11 миллионов рублей.
В декабре 1941 года знатный новатор впервые в СССР двумя паровозами привез замерзающей Москве 5000 тонн угля (100 вагонов!) – при нормативе на одну машину 1250 тонн.
Тем самым положено начало новому движению – сверхтяжелых поездов. Вскоре сверхтяжелые составы шли по всем железным дорогам СССР, где такое позволяло путевое хозяйство.
За время войны паровозная бригада старшего машиниста Лунина перевезла 585 тысяч тонн оборонных и народно-хозяйственных грузов, сэкономила 854 тысячи тонн угля, сберегла на ремонте паровоза 75 тысяч рублей. Его паровоз был признан «Лучшим паровозом Советского Союза» приказом Народного комиссара путей сообщения СССР.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 5 ноября 1943 года «за особые заслуги в обеспечении перевозок для фронта и народного хозяйства и выдающиеся достижения в восстановлении железнодорожного хозяйства в трудных условиях военного времени» старшему машинисту паровозной бригады паровозного депо Новосибирск Томской железной дороги Николаю Александровичу Лунину присвоено звание Героя Социалистического Труда.
Лунин продолжал водить поезда до 1946 года, когда он был направлен на учебу в Московский институт путей сообщения. К тому времени начинающий студент-первокурсник был автором двух учебников: «Как сократить объем промывочного ремонта. Наш опыт ухода за паровозом» и «Практика эксплуатации паровозов. Опыт лунинцев Новосибирского депо. Пособие для студентов».
После успешного окончания института в 1950 году направлен на руководящую работу на железнодорожном транспорте. Работал заместителем начальника Московско-Рязанской железной дороги, затем начальником Московско-Рижского отделения Московской железной дороги. Депутат Верховного Совета СССР в 1946–1950 годах. Проживал в Москве.
Награжден двумя орденами Ленина, двумя знаками Народного комиссариата путей сообщения «Почетный железнодорожник», медалями.
Скончался Николай Александрович Лунин 3 октября 1968 года.
В Новосибирске в честь Героя Социалистического Труда Николая Александровича Лунина установлены мемориальные доски на здании цеха эксплуатации Новосибирского локомотивного (бывшего паровозного) депо, на доме, в котором проживал Н.А. Лунин (ул. Салтыкова-Щедрина, 1) и профессиональном училище №10. Имя Героя носит областное государственное образовательное учреждение начального профессионального железнодорожного образования «Профессиональное училище № 10» Новосибирска.
Одна из площадей Новосибирска названа «Площадью лунинцев». В 2000 году удостоен почетного звания «Гражданин XX века Новосибирской области».
Выдающемуся железнодорожнику за проявленный трудовой героизм в годы Великой Отечественной войны установлен монумент – тот самый «Лучший паровоз Советского Союза» и памятная стела [206, 365, 481, 482, 665, 1109].