Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря 1922 г.в деревне Усмань (ныне городе Липецкой области). Его родители — Геннадий Фёдорович Басов и Зинаида Андреевна Молчанова. В 1927 году семья переехала из Усмани в Воронеж.

В 1941 году Н.Г.Басов окончил воронежскую школу № 13, после школы прошел подготовку на ассистента врача в Куйбышевской военной медицинской академии. В 1943 году он ушёл на фронт, служил ассистентом врача на украинском фронте.

После войны Н.Г.Басов поступил в МИФИ, защитил диплом в 1950 году. С 1948 года он лаборант ФИАН, где работал после получения диплома под руководством М.А. Леонтовича и А.М. Прохорова. В 1953 году Н.Г.Басов защитил кандидатскую диссертацию, в 1956 году — докторскую диссертацию «Молекулярный генератор».

С 1958 по 1972 год Н.Г. Басов работал заместителем директора ФИАН, а в 1973 году возглавил институт, проработав в должности директора до 1989 года. В 1963 году он организовал Лабораторию квантовой радиофизики, которую возглавлял до своей смерти. В 1962 году Басов был избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1966 году — академиком АН СССР. Избирался в президиум Академии наук — член президиума АН СССР с 1967 по 1990 год, и президиума РАН с 1991 года.

Работы Басова посвящены квантовой электронике и ее применениям. В 1952 году вместе с А.М.Прохоровым он установил принцип усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами. В 1955 году им была предложена трехуровневая схема создания инверсной населенности уровней, нашедшая широкое применение в мазерах и лазерах. Эти работы (а также исследования американского физика Ч.Таунса) легли в основу нового направления в физике — квантовой электроники. За фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию лазера и мазера, Н.Г.Басов, А.М. Прохоров и Ч.Таунс в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

Совместно с Ю.М.Поповым и Б.М.Вулом Н.Г.Басов предложил идею создания различных типов полупроводниковых лазеров. В 1962 была выдвинута идея создания инжекционного лазера, затем были созданы лазеры, возбуждаемые электронным пучком, а в 1964 — полупроводниковые лазеры с оптической накачкой. Н.Г.Басов развивал исследования и по мощным газовым и химическим лазерам. Им были созданы фторводородный, йодный лазеры и эксимерный лазер, а также сумматоры — преобразователи лазерного излучения.

Ряд работ Н.Г.Басова посвящен вопросам распространения и взаимодействия мощных лазерных импульсов с веществом. Ему принадлежит идея использования лазеров для управления термоядерным синтезом (1962 г.), им же предложены методы лазерного нагрева плазмы, а также стимулирования химических реакций лазерным излучением.

Н.Г.Басов разработал физические основы создания квантовых стандартов частоты, выдвинул идеи новых применений лазеров в оптоэлектронике, такие как создание оптических логических элементов, выступал инициатором многих исследований по нелинейной оптике.

Н.Г.Басов был главным редактором журналов «Наука», «Квант», «Квантовая электроника», «Природа», «Journal of soviet laser research», «Краткие сообщения по физике», сборника «Труды Физического института им. П.Н.Лебедева». В 1978—1990 годах Н.Г.Басов являлся председателем правления Всесоюзного просветительского общества «Знание». С 1982 по 1989 год был членом Президиума Верховного Совета СССР.

Заслуги Н.Г.Басова перед отечественной и мировой наукой были отмечены многочисленными наградами. Н.Г.Басов являлся Лауреатом Ленинской премии и Государственной премии СССР, был награжден пятью орденами Ленина, орденом «За заслуги перед Отечеством» II степени, Командорским крестом ордена «За заслуги», Золотой медалью им. М.В.Ломоносова. Дважды ему присуждалось высокое звание Героя социалистического труда.

Н.Г.Басов скончался 1 июля 2001 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.