Родился в казачьей семье и был старшим из четырёх детей. Успел окончить три класса школы, но после смерти отца вынужден был её оставить и пойти работать на маслозавод Харинаса. Через два года мать Николая вышла замуж вновь, и имущество семьи было разделено.
Николай уехал в Куртамыш, где начал работать у купца Завьялова мальчиком на побегушках, а с осени 1905 года - приказчиком. В декабре познакомился с политическими ссыльными отцом и сыном Друговыми и начал участвовать в нелегальной деятельности.
В июне 1906 года начал вести дневник, который продолжал до последних дней жизни. Вскоре попал под негласный надзор полиции. В начале 1907 года по поручению ссыльных организовал в Куртамыше союз приказчиков.
В 1910 году женился на Анне Клоповой, с которой встречался до этого три года. В марте 1911 года у них родился сын Александр, умерший через три месяца.
В июле 1914 года был призван в армию и вскоре отправлен на фронт в составе 1-й Оренбургской казачьей дивизии. К моменту Февральской революции 1917 года дослужился до младшего урядника и был награждён Георгиевской медалью 4-й степени и Георгиевскими крестами 3-й и 4-й степени. Некоторое время спустя был избран председателем солдатского комитета дивизии, а после Октябрьской революции - начальником дивизии. Под его руководством в конце декабря дивизия прибыла в Люберцы и перешла на сторону Советской власти.
В январе 1918 года вместе с 11-м и 12-м полками дивизии прибыл в Троицк, где полки были распущены, а Томин в конце февраля был избран начальником штаба войск уезда и председателем казачьей секции Троицкого исполкома. В марте назначен командующим войсками уезда. В июне избран командиром первой сотни 1-го Революционного Оренбургского социалистического полка имени Степана Разина.
После того, как части красных были вынуждены оставить Троицк, Томин был избран командующим Троицким отрядом, который 22 июня пришёл в Верхнеуральск и влился в отряд Ивана Каширина. Попытка красных отбить Троицк провалилась, после чего они отступили в Белорецк. Там все имеющиеся части были объединены в Сводный Уральский отряд под командованием Николая Каширина (после его ранения командующим стал Василий Блюхер), в составе которого Троицкий отряд Томина участвовал в походе, закончившемся 12 сентября 1918 года.
После окончания похода Томин был награждён золотыми часами с надписью «Честному воину РККА Н. Д. Томину. ВЦИК. 1918 год», а Троицкий отряд был преобразован во вторую бригаду 30-й стрелковой дивизии.
Вскоре при 3-й армии Восточного фронта по инициативе Томина был сформирован сводный кавалерийский отряд, командование которым было на него же и возложено. Отряд участвовал в освобождении от белогвардейских войск Ирбита и Кургана.
После освобождения Кургана отряд был расформирован, а Томин назначен начальником 10-й кавалерийской дивизии в составе 3-го кавалерийского корпуса. В июне 1920 года дивизия была переброшена на Западный фронт и в ходе боев с поляками заняла такие города, как Свенцяны, Вильно, Гродно. В день взятия Млавы Томин был награждён орденом Красного Знамени.
После поражения под Варшавой 3-й кавалерийский корпус Г. Д. Гая, в который входила дивизия Томина, был интернирован на территории Германии. Через некоторое время немецкое командование стало разделять части и отправлять их вглубь Германии, и Томин вместе со своим ординарцем совершил побег из поезда. По пути к ним присоединялись группы красноармейцев, также пробиравшихся домой, и 17 сентября отряд численностью до 300 человек во главе с Томиным перешёл литовско-советскую границу. 10 октября Томин стал начальником 10-й Кубанской кавалерийской дивизии, которая вскоре участвовала в боях против отрядов Станислава Балаховича.
В конце декабря принял командование 2-м конным корпусом, до конца апреля 1921 года выполнявшим задачу по уничтожению бандитизма на Кубани.
В мае - июле командовал 15-й Сибирской кавалерийской дивизией, расквартированной в Козлове и участвовавшей в подавлении антоновского мятежа.
Начальник пятнадцатой сибкавдивизии тов. Томин за время командования дивизией зарекомендовал себя выдающимся кавалерийским начальником. За энергичную работу, умелое руководство и личное участие в операциях по подавлению и уничтожению банд Лобана, Бодова и Карася награждаю начальника пятнадцатой сибкавдивизии тов. Томина золотыми часами.
- Из приказа командующего войсками Тамбовской губернии М.Н. Тухачевского
По просьбе В. К. Блюхера, командовавшего в тот период Народно-революционной армией ДВР, РВС откомандировал Томина на Дальний Восток, где он принял командование Забайкальской группой войск в составе 1-й Читинской стрелковой бригады и отдельного Троицко-Савского кавалерийского полка. По пути на линию фронта Блюхер возложил на Томина командование и Инской группой, а также подготовку войск всего фронта к наступлению. Части под командованием Томина участвовали во взятии Волочаевки и Хабаровска.
После отпуска, со 2 сентября 1922 года начал командовать 6-й отдельной Алтайской кавалерийской бригадой, расположенной в Семипалатинске. В марте 1923 года, мечтая заняться сельским хозяйством, попросил о демобилизации, но получил категорический отказ и был переведен в Бийск командовать 4-й кавалерийской бригадой.
В конце августа был направлен на учёбу.
Тов. Томин за время совместной службы показал себя чрезвычайно энергичным и настойчивым работником. Хотя и не имеет военного образования, но за время службы на ответственных должностях приобрел большой практический опыт. Систематичен и расчетлив в работе. Правильно и быстро схватывает обстановку. Прямой, не стесняется говорить правду в глаза, что часто вызывает недоброжелательное к нему отношение. Болезненно самолюбив, но в своих ошибках сознается. К подчиненным строг, но справедлив, хороший товарищ. Работает над расширением как военного, так и общего кругозора. Недостаток общеобразовательного ценза восполняется природным умом. Трезв и безупречно честен. Предан делу революции. Политически удовлетворительно развит. Состояние здоровья хорошее. Как командир для Красной Армии чрезвычайно ценен. Желательно командирование на Военно-академические курсы высшего комсостава РККА для получения теоретических знаний. Занимаемой должности соответствует.
- Комкор-военком 10 Гайлит
Однако в апреле 1924 года был повторно назначен командиром 6-й отдельной Алтайской кавалерийской бригады, в связи с чем учёбу на курсах пришлось оставить. Бригада была направлена в Бухарскую Народную Советскую Республику для борьбы с басмачеством.
С 1924 года член РКП(б).
12 августа 1924 года Томин был смертельно ранен в бою с басмачами.
Памятники Томину были установлены в Куртамыше, Троицке, Кулябе, колхозе имени комбрига Томина Восейского района Таджикской ССР, а в родном селе Томина ему установлен обелиск. Именем Томина назван краеведческий музей в Куртамыше, а также железнодорожная станция, улицы, парки и школы.