В кино Николай Сергеев дебютировал в 1937 году, сыграв роль командира фашистской эскадрильи в картине «Глубокий рейд». Однако известность ему принесли более поздние роли. Так, в 1954 году актер сыграл Басманова в фильме «Большая семья» Иосифа Хейфеца. Известный в то время режиссер Михаил Швейцер заметил актерский талант Сергеева и предложил ему сыграть противоположный образ – скупого крестьянина в картине «Чужая родня» (1955). Именно после этого фильма Николай Сергеев стал получать множество предложений от ведущих советских режиссеров. Вскоре ради кинематографа Николай Васильевич оставил театр.
В 1955 году он сыграл парикмахера в фильме «Дорога», в следующем году ему досталась роль Игната Гмызина в картине «Саша вступает в жизнь», Василия Ивановича в фильме «Отцы и дети». Актер также снялся в лентах «Мичман Панин», «Пять дней, пять ночей», «Девять дней одного года», «Укрощение строптивой», «Домик в дюнах», «Живые и мертвые», «Жили-были старик со старухой».
В 1971 году Сергеев был признан народным артистом РСФСР. С 1973 года уже достаточно популярный актер занимался озвучиванием мультфильмов, таких как «Мальчик-с-пальчик», «Детство Ратибора», «Лебеди Непрядвы».
Из последних картин, в которых сыграл Николай Сергеев, наиболее известными являются «От зари до зари», «Прошу слова», «Концерт для двух скрипок», «Сказ про то, как царь Петр арапа женил», вышедшие в 1975-1976 годах.
Скончался известный актер 8 января 1988 года, похоронен в Москве на Ваганьковском кладбище.
