Родился 22 апреля 1947 года во Владимире. В 1973 году с отличием закончил Московский инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева, в 1988 году также с отличием - Академию общественных наук при ЦК КПСС.
С 1966 по 1977 год работал на Владимирском ЖБК, прошёл путь от рабочего до главного инженера предприятия.
С 1977 по 1981 год - секретарь парткома треста «Владимирстройконструкция».
С 1981 по 1983 год - инструктор, заместитель заведующего отделом Владимирского обкома КПСС.
С 1983 по 1985 год - второй секретарь Владимирского горкома КПСС.
С 1985 по 1987 год - первый секретарь Кольчугинского горкома КПСС.
С 1987 по 1989 год - ответственный работник ЦК КПСС.
С 1989 по 1991 год - второй секретарь Владимирского обкома КПСС.
С 1991 по 1994 год - занимал должность заместителя генерального директора ОАО «Владимироптторг».
В 1994 году избран председателем законодательного собрания Владимирской области.
8 декабря 1996 года избран главой администрации Владимирской области.
10 декабря 2000 года повторно выиграл выборы, получив 66% голосов избирателей.
18 февраля 2005 года по представлению Президента России В.В.Путина утверждён в должности губернатора законодательным собранием Владимирской области.
В 2009 году кандидатура Н.В.Виноградова была предложена Президентом России Д.А.Медведевым на пост главы администрации области и вновь одобрена законодательным собранием Владимирской области.
Женат, имеет двух дочерей и внуков.