Родился 19 марта 1942 года в городском посёлке Тереховка Гомельской области (Белоруссия). Детство Николая совпало с самыми трудными годами в истории страны – войны, во время которой погиб каждый четвёртый житель Белоруссии, и послевоенного восстановления.

После школы Н.Н. Мармылёв поступил в Гомельский политехникум и получил специальность технолога лесного хозяйства. В 1961 году направлен на работу в Калининскую область — в Вышневолоцкий химлесхоз. Трудился мастером химлесхоза, затем преподавал физкультуру и историю в Борисовской сельской школе Вышневолоцкого района.

В это же время его избрали 2-м секретарём Вышневолоцкого райкома комсомола, а с 1962 года — секретарём Лихославльского РК ВЛКСМ. В 1968 году Н.Н. Мармылёв избран секретарём Лихославльского РК КПСС и направлен на учёбу в Ленинградскую высшую партийную школу. В 1973 году избран секретарём Лихославльского РК КПСС — эту должность он занимал до конца 1983 года. Работая, Николай Николаевич всегда проявлял внимание к людям, оказывал практическую помощь во всех вопросах жизни и деятельности района, трудился творчески, инициативно.

В 1983-86 гг. Н.Н. Мармылёв являлся председателем Вышневолоцкого районного комитета народного контроля. С середины 1980-х его деятельность связана с Тверью: был лектором обкома КПСС, с 1986 по 1991 год – зам. председателя Общества «Знание», с 1991 по 2004 год – зам. управляющего Пенсионного фонда. За время работы заочно окончил Московскую финансовую академию им. Плеханова.

В 2005-2007 гг. был консультантом Избирательной комиссии Тверской области.

После выхода на пенсию Н.Н. Мармылёв активно участвует в общественной жизни Лихославльского района. Он проводит большую работу с молодёжью, часто выступает в школах, в библиотеке, на общерайонных мероприятиях. В 2020 году организована «агитбригада» районного Совета ветеранов «Мы с молодостью рядом», выезжающая с выступлениями во все сельские и городские поселения района.

Н.Н. Мармылёв возглавляет Общественный Совет Лихославльского района. Как представитель общественности принимает участие в региональных мероприятиях и встречах. Звание «Почётный гражданин Лихославльского района» Николаю Николаевичу Мармылёву присвоено в 2020 году.