Первая мировая и гражданская войныВ 1916 году Фомин был призван в армию, а в 1917 году закончил артиллерийское училище.
Принимал участие в Первой мировой войне в чине прапорщика.
С января 1919 года Фомин служил в рядах РККА. В ходе Гражданской войны служил в оперативном отделе штаба армии, командовал батареей и артиллерийским дивизионом. Принимал участие в боях против войск Деникина, Врангеля и банд Махно.
Межвоенное времяС окончанием Гражданской войны служил на должностях командира артиллерийского дивизиона, помощника командира и командира артиллерийского полка.
В 1926 году Фомин закончил академические курсы усовершенствования командного состава и с 1930 года служил на должностях помощника начальника артиллерии стрелкового корпуса и начальника артиллерии укреплённого района в Забайкальском военном округе.
В 1937 году вступил в ряды ВКП(б).
С 1939 года преподавал в Военной академии имени М. В. Фрунзе.
Постановлением Совета Народных Комиссаров СССР от 4 июня 1940 года Николаю Сергеевичу Фомину присвоено воинское звание «генерал-майор артиллерии».
В 1941 году генерал-майор артиллерии Фомин закончил Военную академию имени М. В. Фрунзе.
Великая Отечественная войнаС началом Великой Отечественной войны воевал на фронте.
С июля 1941 года по апрель 1943 года служил командовал артиллерией 21-й и 43-й армий, с апреля 1943 года - артиллерией Степного военного округа, затем Степного фронта, а с июля 1943 года по май 1945 года - 2-го Украинского фронта.
В 1944 году генерал-лейтенанту артиллерии Николаю Сергеевичу Фомину присвоено воинское звание «генерал-полковник артиллерии».
Принимал участие в Белгородско-Харьковской, Кировоградской, Корсунь-Шевченковской, Уманско-Ботошанской, Ясско-Кишинёвской, Дебреценской, Будапештской, Венской, Пражской операциях, а также в освобождении Будапешта, Братиславы, Брно, Вены.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 28 апреля 1945 года за успешное командование артиллерией фронтов, личное мужество и отвагу в боях с немецко-фашистскими захватчиками генерал-полковнику артиллерии Николаю Сергеевичу Фомину присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 712).
С августа 1945 года генерал-полковник артиллерии Фомин командовал артиллерией Забайкальского фронта и принимал участие в советско-японской войне.
Послевоенная карьераМогила Фомина на Кунцевском кладбище Москвы.
После войны Фомин работал на должности начальника управления боевой подготовки наземной артиллерии Советской Армии, с 1949 года - на должности начальника штаба артиллерии - заместителя командующего артиллерией Вооружённых Сил СССР, с 1953 года - на должности первого заместителя командующего артиллерией Советской Армии.
С 1956 по 1964 годы Николай Сергеевич Фомин работал на должности начальника кафедры Высшей военной академии имени К. Е. Ворошилова, преобразованной в 1958 году в Военную академию Генерального штаба Вооружённых Сил СССР, с 1964 года работал консультантом в этой академии.
В 1963 году стал профессором.
В 1969 году генерал-полковник артиллерии Николай Сергеевич Фомин вышел в отставку, находясь которой вёл активную военно-патриотическую работу, а также являлся членом Президиума Совета ветеранов Степного - 2-го Украинского и Забайкальского фронтов. Также Фомин стал художником-любителем, писавшим пейзажи. На персональной выставке в 1981 году было представлено 100 картин.
Николай Сергеевич Фомин умер 14 апреля 1987 года. Похоронен на Кунцевском кладбище (участок № 9-2).