Родился 6 мая 1890 года в Санкт-Петербурге в семье купца 2-й гильдии. В 1907 году окончил Коммерческом училище Петербурга. В том же году поступил на электромеханическое отделение Петербургского Политехнического института (ППИ).
С началом Первой Мировой войны в августе 1914 года был призван на фронт, служил в 1-й Искровой роте. Во время одной из своих командировок в 1915 году по поручению военного ведомства проводил в Политехническом институте секретные экспериментальные исследования электропроводности. В мае 1915 года был произведен в прапорщики, впоследствии был назначен в 33-е корпусное радиотелеграфное отделение, где и служил до конца войны. В 1918 году демобилизовался в звании подпоручика.
В марте 1918 года вернулся в Политехнический институт, который окончил в августе того же года, получив звание инженера-электрика. С июня 1919 года Н. Н. Пономарев — преподаватель кафедры электротехники в Политехническом институте. В период с 1921 по 1929 год так же преподаёт в Училище комсостава флота, в Военной электротехнической академии, Ленинградском Электротехническом институте. Участвовал в разработке плана ГОЭЛРО, был членом Центрального электротехнического совета. Являлся сотрудником электроизмерительного отделения лаборатории профессора А. М. Шателена, по поручению которого редактирует единое учебное пособие «Электроизмерительная техника».
В октябре 1923 года поступил на завод им. Козицкого, где организовал лабораторию электроизмерительных приборов и руководил проектированием всех новых приборов. 1927 году перешел на завод «Электроприбор», где работал главным инженером по технической части. В конце 1929 года на базе завода создаётся Отраслевая лаборатория измерений (ОЛИЗ) — первое в СССР специализированное предприятие по разработке и производству электроизмерительных приборов. Техническим руководителем ОЛИЗ назначается Н. Н. Пономарёв. Принимал участие в создании Краснодарского завода измерительных приборов.
С 1930 года Н. Н. Пономарев — доцент, а затем профессор.
Умер от истощения 31 января 1942 года во время блокады Ленинграда. Место захоронения: Богословское кладбище.
Достижения
Один из создателей советской научной школы разработки электроизмерительных приборов.