Он появился на свет 14 февраля 1949 года в Витебске в семье актёров Белорусского драматического театра Николая Ерёменко и Галины Орловой. Детство мальчика прошло за кулисами, а однажды он даже сорвал спектакль с участием родителей: выбежал на сцену, весь обвешанный бутафорским оружием, и попросил маму застегнуть ему брюки. Во дворе за Колей закрепилось прозвище Артист, хотя будущему актёру такая кличка казалась обидной и недостаточно брутальной...
Ерёменко-младший рос амбициозным юношей: окончив школу, он и не думал поступать в белорусский вуз — сразу отправился покорять столичный ВГИК. С первого раза ворваться в число счастливых студентов мастера Бориса Бабочкина не удалось, а уже на следующий год Николай приехал на вступительные испытания с мощной группой поддержки. На экзамен его привёл уже знаменитый на всю страну отец, который к тому же лично знал руководителя курса Сергея Герасимова — в ленте режиссёра «Люди и звери» Ерёменко-старший сыграл свою первую большую роль в кино. Именно отец посоветовал сыну прочесть комиссии стихотворение Заболоцкого, которое покорило педагогов.
Получив заветное место в рядах вгиковцев, Николай Ерёменко-младший, казалось, не слишком им дорожил. По признанию самого актёра, в студенческие годы он страдал от комплекса провинциала: старался вести себя высокомерно и отталкивал от себя людей, вместо того, чтобы обзаводиться друзьями. Ему регулярно делали выговоры за прогулы и хулиганство, а на следующий курс переводили «условно». Во многом нерадивого студента спасала поддержка Сергея Герасимова, который сразу разглядел в начинающем актёре талант. Свою первую роль в кино Ерёменко сыграл в мелодраме Герасимова «У озера», а вскоре знаменитый режиссёр пригласил 18-летнего студента на роль Жюльена Сореля в новой ленте «Красное и чёрное». Работа над фильмом продолжалась несколько лет: за это время из щуплого юноши Ерёменко превратился в статного красавца, которому было суждено покорить сердца миллионов зрительниц. Картина имела огромный успех, а за исполнителем главной роли закрепилось амплуа героя-любовника.
После этого карьера Николая Ерёменко-младшего резко пошла в гору. Во второй половине 70-х он снялся в телефильме «Хождение по мукам», сыграл художника Сэма Пэнти в мюзикле «31 июня», перевоплотился в бандита Цыгана в «Трактире на Пятницкой». Но эффект разорвавшейся бомбы произвёл боевик «Пираты XX века», где актёр предстал в образе брутального механика Сергея. Поначалу режиссёр Борис Дуров не хотел утверждать в картину утончённого любимца женщин — тогда актёр сорвал рубашку, сделал сальто и продемонстрировал внушительные мускулы. Сомнений ни у кого не осталось.
На площадке Николай Ерёменко-младший сам выполнял сложные трюки и даже чуть не погиб под винтами корабля. Картина принесла ему звание лучшего актёра года по версии читателей «Советского экрана» и множество новых поклонников, а вот старые фанаты раскритиковали любимца за «неклассическую» роль. Ерёменко и сам недоумевал: «Играешь Стендаля — тебя не называют лучшим артистом года. Играешь моториста, который только дерётся и плавает — называют».
Главным человеком в жизни Николая Ерёменко-младшего всегда оставался его отец. В середине 90-х, когда «старший» был уже в преклонном возрасте и переживал творческий кризис, сын решил устроить ему встряску — взялся за экранизацию сценария Валентина Черных «Сын за отца». Криминальная драма про стареющего хирурга и его преуспевающего сына-бизнесмена стала для Ерёменко-младшего первой и единственной режиссёрской работой и впервые объединила в одном кадре двух Ерёменко — старшего и младшего.
По завету отца Николай Ерёменко связал себя узами брака лишь однажды. На протяжении 27 лет главный секс-символ советского экрана был женат на актрисе Вере Титовой, в браке с которой на свет появилась дочь Ольга. Однако примерным семьянином знаменитый актёр никогда не был. Задолго до развода с женой он стал отцом во второй раз: Татьяна Масленникова подарила ему внебрачную дочь Татьяну. Долгие годы Ерёменко-младший жил на две семьи, а расторгнуть первый брак решился лишь за два года до смерти. Причиной тому стала новая любовь: молодая помощница режиссёра по имени Людмила ворвалась в жизнь актёра внезапно и была с ним до конца дней.
Сам Николай Ерёменко-младший говорил, что по жизни он одиночка и совершенно не приспособлен к семейному быту. Как бы там ни было, все три его женщины были с ним рядом, когда актёр доживал последние минуты в Боткинской больнице. Он скончался от инсульта на 53-м году жизни. Последняя картина с участием Ерёменко вышла на экраны уже после его смерти: в криминальном сериале «Бригада» он сыграл отца Космоса. Главным желанием актёра было, чтобы его похоронили рядом с отцом: оба Ерёменко — старший и младший — покоятся на Восточном кладбище в Минске.