Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря 1922 года в деревне Усмань под Воронежем в семье профессора Лесного института.
После окончания школы, в 1941 году, Николая Геннадиевича Басова призвали в армию, направив на обучние в Куйбышевскую Военно-медицинскую академию.
В 1943 году Басов окончил академию. Его прикомендировали к Первому Украинскому фронту в качестве ассистента военного врача. Там он и воевал до демобилизации в декабре 1945 года.
После этого Николай Геннадиевич Басов поступает в Московский физико-технический институт.
Во время обучения (в 1948 году) он начинает работать лаборантом в Физическом Институте Академии Наук СССР (ФИАН имени П. Н. Лебедева).
После выпуска Николай Геннадиевич остается в аспирантуре (под руководством М. А. Леонтовича и А. М. Прохорова), в 1953 году он защищает кандидатскую диссертацию. Через три года после нее - докторскую диссертацию по теме "Молекулярный осциллятор". Эта работа была посвящена исследованию молекулярного генератора на пучках аммиака.
Первый доклад Басова и Прохорова на тему создания оптического квантового генератора (ОКГ) озвучен ими на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 года, а их первая статья на эту тему вышла в октябре 1954 года. На следующий год Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров опубликовали статью, в которой описали трёхуровневую схему создания оптического квантового генератора.
В 1955 году Николай Геннадиевич становится во главе группы, занимавшейся исследованием частотных характеристик молекулярных осцилляторов. В результате, в 1962 году, Басов, его коллеги и ученики (А.Н. Ораевский, В.В. Никитин, Г.М. Страховский, В. С. Зуев и другие) создали осциллятор, стабилизированный в пределах 10-11 герц.
В 1952 году Николай Геннадиевич занял пост заместителя директора Физического Института Академии Наук СССР.
В 1959 году совместно с Александром Михайловичем Прохоровым получает Ленинскую премию за исследования по созданию молекулярных осцилляторов и парамагнитных усилителей.
С 1961 года Николай Басов занимался (совместно с В. С. Зуевым, П. С. Кринковым, В. С. Летоховым и другими) проблемами получения мощного излучения.
В 1962 году Басов совместно с О. Н. Крохиным исследовал возможности применения лазеров для получения термоядерной плазмы.
В 1962 году Басов становится членом-корреспондентом Академии Наук СССР
Начиная с момента основания лаборатории квантовой радиофизики Физического Института Академии Наук СССР, в 1963 году Николай Геннадиевич Басов являлся бессменным руководителем, а также профессором института.
В 1963 году Басов принял участие в создании первого полупроводникового лазера на арсениде галлия (GaAs).
В 1963 году Николай Ганнадиевич Басов участвует в работе по оптоэлектронике. Ее результатом стало создание быстродействующих элементов на основе диодных лазеров.
В 1964 году Николай Басов совместно О. В. Богданкевичем и А. Н. Девятковым создал полупроводниковый лазер с электронной накачкой. Чуть позже, совместно с А. З. Грасюком и В. А. Катулиным, с оптической накачкой.

В 1964 году, совместно с Александром Михайловичем Прохоровым и Чарльзом Таунсом из Массачусетского технологического института (Кембридж, США) получает Нобелевскую премию по физике за разработку принципа действия лазера и мазера.

В 1966 году Николай Геннадиевич Басов становится действительным членом Академии Наук СССР.
В 1967 году Николай Геннадиевич становится членом Президиума Академии Наук СССР и членом Немецкой Академии Наук.
В 1968 году Басов, совместно с П. Г. Кринковым и Ю. В. Сенатским разработал лазер на неодимовом стекле. Этот лазер выдавал 30 джоулей в импулье длительностью 2E-11 секунды.
В 1968 году Басов, совместно с П. Г. Крюковым, Ю. В. Сенатским и С.Д. Захаровым, обнаружил эмиссию электронов дейтериевой плазмой, полученной с помощью лазера. Вместе с В. С. Летоховым Николай Басов предложил теорию формирования пикосекундных импульсом, а с А. Н. Ораевским - способ термической накачки. Этот метод привел к созданию газодинамических лазеров.
В 1970 годах Басов продолжал работать над химическими лазерами. Под его руководством был построен лазер на смеси дейтерия, фтора и диоксида углерода.
В 1971 году Николай Геннадиевич Басов, совместно с Г. В. Склизковым, разработал многочастотные лазеры, которые могли выдавать до 103 джоулей в импульсе длительностью 1E-9 секунды.
В 1973 году Николай Геннадиевич занял пост директора Физического Института Академии Наук СССР.
В конце 1970 годов Басов (совместно с Е. П. Маркиным, А. Н. Ораевским и А. В. Панкратовым) представил экспериментальные доказательства ускорения химических реакций инфракрасным лазерным излучением.
1 июля 2001 году Николай Геннадиевич Басов умер.