Родился 22 мая 1922 года в селе Верхняя Сыроватка (Краснопольский район Сумской области Украины). Окончил сельскую школу. 26 февраля 1940 года добровольно вступил в ряды Красной Армии, призван Краснопольским РВК. Окончил Чугуевскую военную авиационную школу лётчиков.

С февраля 1942 года сержант Н. И. Марченко в действующей армии: в должности пилота 161-го ИАП (57-я САД и 240-я ИАД), летал на Як-1. В октябре 1942 года получил ожог лица. С декабря 1942 года воевал в составе 21-го Гвардейского ИАП (240-я ИАД), продолжая летать на Як-1. С февраля 1943 года - старший лётчик 744-го ИАП (1 мая 1943 года преобразован в 86-й Гвардейский ИАП). Летал на Як-7 и Як-9. Сражался на Северо-Западном, Ленинградском и Калининском фронта.

18 сентября 1943 года командир звена 86-го Гвардейского истребительного авиационного полка (240-я истребительная авиационная дивизия, 3-я Воздушная армия, Калининский фронт) Гвардии младший лейтенант Н. И. Марченко не вернулся с боевого задания (пропал без вести в районе города Духовщина). Всего совершил около 100 боевых вылетов, провёл около 40 воздушных боёв и сбил лично 13 самолётов противника.

Награждён орденами: Красного Знамени (30.04.1943), Отечественной войны 2-й степени (30.01.1943), Красной Звезды (14.06.1943); медалями.