Родился 22 мая 1917 года в селе Скотоватое (ныне Макеевский район Донецкой области). Окончил среднюю школу. С 3 июля 1935 года в рядах Красной Армии, призван по специальному набору Горловским ГВК (Сталинской области Украины). Окончил военную авиационную школу лётчиков. Служил в строевых частях ВВС.

Участник Советско-Японского конфликта на реке Халхин-Гол (Монголия) с июля по август 1939 года в составе 56-го ИАП (ВВС 1-й Армейской группы). Летал на И-15бис и И-153. Согласно автобиографии из личного дела, лейтенант Н. И. Ковалёв совершил 97 боевых вылетов, провёл 20 воздушных боёв и сбил 5 самолётов противника, но эти сведения не подтверждаются какими-либо штабными документами. 20 августа 1939 года сам был сбит в воздушном бою, ранен, спасся на парашюте, эвакуирован для лечения в госпиталь СССР. Награждён орденом Красного Знамени.

Участник Советско-Финляндской войны с января по 13 марта 1940 года в составе 38-го ИАП (Особая авиабригада). Летал на И-153, воздушных побед не имел. Награждён медалью "За отвагу".

С 25 августа 1941 года старший лейтенант Н. И. Ковалёв в действующей армии. В составе 348-го ИАП (135-й САД) принимал участие в операции по занятию советскими войсками территории Северного Ирана. 23 ноября 1941 года приступил к боевым действиям на Закавказском фронте в должности заместителя командира эскадрильи 348-го ИАП (135-я САД, ВВС 44-й Армии), который 10 января 1942 года был переименован в 743-й ИАП. Летал на И-153, около 1,5 месяцев исполнял обязанности командира эскадрильи. С 12 февраля 1942 года воевал на Крымском фронте (в составе 71-й ИАД и 25-й ИАД), продолжая летать на И-153. 18 мая 1942 года полк убыл в тыл на доукомплектование и переучивание (в 25-м ЗИАП Закавказского военного округа осваивал новую технику).

С 7 августа 1942 года капитан Н. И. Ковалёв воевал уже в 822-м ИАП (105-я ИАД ПВО; оперативно подчинялась штабу Северо-Кавказского, а с сентября - Закавказского фронтов), летая на ЛаГГ-3. 17 сентября 1942 года открыл боевой счёт полка, сбив истребитель Ме-109. С 22 февраля 1943 года полк был передан в состав 126-й ИАД ПВО (Грозненского района ПВО, оперативно подчинялась штабу Закавказского фронта).

В апреле 1943 года капитан Н. И. Ковалёв был направлен на должность командира 3-й эскадрильи 907-го ИАП (125-я ИАД ПВО, Тульского района ПВО), где летал на Ла-5. С 15 мая 1943 года приступил к боевой работе (в составе 101-й ИАД ПВО, Воронежского района ПВО). 8 июня 1943 года представлялся к званию Героя Советского Союза (награждён орденом Красного Знамени). С 9 июня 1943 года полк входил в состав 9-го ИАК ПВО Воронежского района ПВО (который был развёрнут на основе 101-й ИАД ПВО), в январе 1944 года передан в состав 148-й ИАД ПВО Курского (с марта 1944 года - Львовского) района ПВО Западного фронта ПВО, в апреле 1944 года включён в 4-й корпус ПВО Северного фронта ПВО (образован 29 мата 1944 года на базе Восточного и Западного фронтов ПВО).

В мае 1944 года капитан Н. И. Ковалёв переведён в 495-й ИАП (328-я ИАД ПВО, Северного фронта ПВО), где продолжал летать на Ла-5. С июля 1944 года воевал уже в 960-м ИАП (той же 328-я ИАД ПВО), летая на Як-7 и Як-9. Некоторое время исполнял обязанности заместителя командира полка. 9 августа 1944 года полк, вместе с 328-й ИАД ПВО, был передан в 90-ю дивизию ПВО Северного фронта ПВО, а 31 декабря 1944 года исключён из действующей армии (боевой работы больше не вёл).

К январю 1945 года командир эскадрильи 960-го истребительного авиационного полка (328-я истребительная авиационная дивизия ПВО, 90-я дивизия ПВО, Северного фронта ПВО) майор Н. И. Ковалёв совершил около 370 боевых вылетов, в 82 воздушных боях сбил лично 7 и в составе группы 3 самолёта противника (в последнем наградном листе говорится о 9 личных и 3 групповых победах).

После окончания войны продолжал служить на различных должностях в ВВС. С 12 сентября 1957 года полковник Н. И. Ковалёв - в запасе.

Награждён орденами: Красного Знамени (17.11.1939, 05.09.1943, 05.11.1954), Отечественной войны 2-й степени (11.03.1985), Красной Звезды (27.10.1942, 15.11.1950, 29.04.1957); медалями, в том числе "За отвагу" (22.02.1941) и "За боевые заслуги" (03.11.1944).