Родился 16 декабря 1886 года в поселке Казачий Кочердык, станицы Усть-Уйской Усть-Уйской волости Челябинского уезда Оренбургской губернии (ныне село Казак-Кочердык Целинного района Курганской области) в казачьей семье и был старшим из четырёх детей.

Окончил три класса сельской школы и вынужден был пойти работать на маслозавод, затем уехал в город Куртамыш (Курганская область), где был у купца Завьялова мальчиком на побегушках, а с осени 1905 года – приказчиком.

На его родину царское правительство ссылало революционеров. Они оказывали влияние на формирование мировоззрения Николая. В декабре познакомился с политическими ссыльными отцом и сыном Друговыми и начал участвовать в нелегальной деятельности. Вскоре попал под негласный надзор полиции.

В июле 1914 года был призван в армию и отправлен на фронт в составе 1-й Оренбургской казачьей дивизии. К моменту Февральской революции 1917 года дослужился до младшего урядника и был награждён Георгиевской медалью IV степени и Георгиевскими крестами III и IV степеней.

После Февральской революции 1917 года младший урядник Н. Д. Томин решительно выступил против Временного правительства, за прекращение войны, против предательской помощи меньшевиков и эссеров. Во многом благодаря ему дивизия стала одной из наиболее революционных на Румынском фронте, а в дни Октября 1917 года решительно поддержала Совет народных комиссаров.

После Февральской революции 1917 года избирался членом полкового, дивизионного и армейского комитетов. После Октябрьской революции был избран начальником дивизии. Под его руководством в конце декабря дивизия прибыла в Люберцы и перешла на сторону советской власти.

В январе 1918 года вместе с 11-м и 12-м полками дивизии прибыл в Троицк, где полки были распущены, а Томин в конце февраля был избран начальником штаба войск уезда и председателем казачьей секции Троицкого исполкома. В марте назначен командующим войсками уезда.

После того как части красных были вынуждены оставить Троицк, Николай Томин, будучи военным комиссаром и уполномоченным по формированию кавалерийских частей при Троицком совете, создал отряд, успешно сражавшийся против белогвардейцев. Он командовал Троицким отрядом во время похода партизан Уральской армии Василия Блюхера.

После окончания похода в сентябре 1918 года при 3-й армии Восточного фронта по инициативе Томина был сформирован сводный кавалерийский отряд, командование которым было на него же и возложено. Отряд участвовал в освобождении от белогвардейских войск Ирбита и Кургана. После освобождения Кургана отряд был расформирован.

1918 и 1919 годы прошли для Томина в боях с войсками генерала А. И. Дутова и адмирала А. В. Колчака.

В 1919–1920 годах Томин командовал стрелковой бригадой, кавалерийским отрядом, 10-й кавалерийской дивизией в составе 3-го кавалерийского корпуса на Восточном и Западном фронтах.

В июне 1920 года дивизия была переброшена на Западный фронт и в ходе боев с поляками заняла такие города, как Свенцяны, Вильно (Советско-польская война 1919–1921 гг.).

Николай Томин получил задание занять Гродно к приходу в город свежих польских резервов. На протяжении 17– 19 июля 1920 года поляки 10-й кавалерийской дивизии окружили город. Томин с группой командиров лежал перед проволочными ограждениями и изучал подступы к городу-крепости. Крепость была защищена фортами, рвами, волчьими ямами, несколькими рядами проволочных ограждений.

Утром 19 июля бойцы 10-й дивизии захватили 3 польских танка. После под ураганным огнём начался штурм города. 2 эскадрона красных гусаров в конном строю внезапно для поляков переправились вплавь через Неман и ворвались в город с противоположной стороны. Один с этих эскадронов уничтожил польский полк, сбросив его конной атакой в реку. Ошеломлённые поляки бросились к мосту, но лавина обозов, зарядных ящиков, автомобилей загромоздила его, и мост обрушился.

Уличный бой, который проходил под непосредственным руководством Николая Томина, закончился победой. Гродно стал советским.

Впервые советская власть была установлена в Гродно после прихода в город 3-го конного корпуса, которым командовал Г. Д. Гай. Первой в Гродно 19 июля 1920 года ворвалась 10-я кавалерийская дивизия под командованием Н. Д. Томина.

Но поляки не хотели примириться с потерей Гродно, стремились вернуть город. Положение усложнилось тем, что стрелковые соединения 4-й армии сильно отстали от 3-го конного корпуса. На кавалеристов были обрушены все силы противника. Герои-конники, неся большие потери, продержались до 22 июля, их сменили стрелковые части, которые вышли к Неману.

Потом были Осовец, Ломжа, Млава, Цеханув, Влоцлавек, Липна. Дивизия Томина вышла к Висле и получила приказ захватить хорошо укреплённый город Плоцк. Бои за этот город были самыми тяжёлыми для 10-й дивизии, но она с честью выполнила задачу.

За все эти битвы, начиная от Вильно, Томин был награждён орденом Красного Знамени.

Советские войска, которые наступали вглубь Польши, всё больше отрывались от своих тыловых частей. Польские части непрерывно пополнялись и с каждым днём увеличивали сопротивление. Для 3-го конного корпуса настали тяжёлые дни. Доводилось покидать город за городом, а польские войска неумолимо брали в окружение красноармейские части. В ночь с 25 на 26 августа 1920 года, не имея сил пробиться через стальное кольцо четырёх польских армий, гаевцы перешли германскую границу. Последним с группой штабных работников и ординарцев перешёл границу Томин.

В сентябре Томин со своим ординарцем убежал из плена и добрался до Минска. 10 октября Томин стал начальником 10-й Кубанской кавалерийской дивизии, которая участвовала в боях против отрядов Станислава Балаховича в районе Мозыря.

В конце декабря принял командование 2-м конным корпусом, до конца апреля 1921 года выполнявшим задачу по уничтожению бандитизма на Кубани. В мае– июле командовал 15-й Сибирской кавалерийской дивизией, расквартированной в Козлове (Смоленщина) и участвовавшей в подавлении Тамбовского восстания 1920–1921 годов (Антоновский мятеж). Участвовал в разгроме бандитизма на Северном Кавказе.

В декабре 1921 – марте 1922 года – командующий Забайкальской группой войск Народно-революционной армии Дальневосточной республики. Части под командованием Томина участвовали во взятии Волочаевки и Хабаровска.

В сентябре 1922 года принял командование 6-й отдельной Алтайской кавалерийской бригадой, расположенной в Семипалатинске. В марте 1923 года, мечтая заняться сельским хозяйством, попросил о демобилизации, но получил категорический отказ.

В конце августа 1923 года был направлен на учёбу и до 1924 года являлся слушателем Высших академических курсов в Москве. Вступил в РКП(б).

В апреле 1924 года переведен в Бийск командовать 4-й кавалерийской бригадой, в связи с чем учёбу на курсах пришлось оставить. Бригада была направлена в Бухарскую народную советскую республику для борьбы с басмачеством. 12 августа 1924 года в кишлаке Карагач Н. Томин был смертельно ранен в бою с басмачами.

Николай Дмитриевич Томин награждён двумя орденами Красного Знамени.

Памятники Николаю Томину были установлены в Куртамыше, Троицке, Кулябе, колхозе имени комбрига Томина Восейского района Таджикской ССР, а в родном селе установлен обелиск. Именем Томина назван краеведческий музей в Куртамыше (Курганская область), а также железнодорожная станция, парки, школы, улицы. Именем Томина названа улица в городе Гродно.

Постановлением от 31 июля 1968 года № 149 исполкома Гродненского городского Совета депутатов трудящихся и бюро Гродненского горкома КПБ герой Гражданской войны Томин Николай Дмитриевич занесён в Книгу народной славы города Гродно.