Родился 26 января 1920 года в городе Чебоксары (Чувашская АССР). Окончил 8 классов средней школы и аэроклуб. С 8 июня 1942 года в рядах Красной Армии, призван Бауманским РВК (города Казани, Татарская АССР). Направлен пилотом в резерв 3-го ЗАП. С 11 декабря 1942 года - старший пилот 867-го ИАП (24 августа 1943 года преобразован в 107-й Гвардейский ИАП).

С 25 декабря 1942 года в действующей армии: в составе 867-го ИАП (207-я ИАД, З-й САК). 22 августа 1943 года назначен заместителем командира эскадрильи. Летал на Як-1 и Як-7Б.

21 сентября 1943 года заместитель командира эскадрильи, он же штурман эскадрильи 107-го Гвардейского истребительного авиационного полка (11-я Гвардейская истребительная авиационная дивизия, 1-й Гвардейский смешанный авиационный корпус РСВГК, 17-я Воздушная армия, Юго-Западный фронт) Гвардии лейтенант Н. Н. Варфоломеев не вернулся с боевого задания из района Днепропетровска (пропал без вести). Всего совершил около 100 боевых вылетов, провёл около 20 воздушных боёв, сбил лично 8 и в составе группы 1 самолёт противника.

Награждён орденами: Отечественной войны 2-й степени (23.05.1943), Красной Звезды (21.01.1943).