Николай Мелемов е роден на 10 юни 1963 г. в село Полковник Серафимово, Смолянско. Завършва Харковския зооветеринарен институт в Украйна и национална сигурност във ВИПОНД (дн. Академия на МВР). През 1999 г. става управител на фирма „Дермакс“ за производство на козметични продукти.
През 2006 г. се включва в проекта ГЕРБ и е сред създателите на Сдружение ГЕРБ в област Смолян. Той е сред учредителите на партия ГЕРБ. На местните избори през 2007 г. е избран за общински съветник от листата на ГЕРБ в община Смолян и председател на групата на общинските съветници от партията. На парламентарните избори през 2009 г. е избран за народен представител от листата на ГЕРБ.
На местните избори през 2011 г. е кандидат за кмет на община Смолян, издигнат от ГЕРБ. Избран е на втори тур. На местните избори през 2015 г. е кандидат за кмет на община Смолян, издигнат от ГЕРБ. Избран е на първи тур. На местните избори през 2019 г. е кандидат за кмет на община Смолян, издигнат отново от ГЕРБ. Избран е на втори тур.
На местните избори през 2023 г. е кандидат за кмет на Смолян, издигнат от ГЕРБ.
