В 1955 году окончил Педиатрический факультет 2-го Московского медицинского института, в 1958 году — там же аспирантуру при кафедре патологической физиологии. Далее работал младшим и старшим научным сотрудником во вновь созданной научной аллергологической лаборатории АН СССР. В 1969-1979 гг. — заместитель директора по научной работе НИИ вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова. В 1979-1988 гг. — заместитель директора по научной работе во вновь организованном Институте иммунологии АН СССР. В 1988-2009 гг. — возглавлял Государственный НИИ стандартизации и контроля медицинских биологических препаратов им. Л.А. Тарасевича Роспотребнадзора. В 2009-2019 гг. — главный научный сотрудник ФГБУ «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Минздрава России. В настоящее время на пенсии.
Был профессором ММА им. И.М. Сеченова по курсу вакцинопрофилактики.
Член-корреспондент РАМН с 1999 года, академик РАМН с 2004 года, академик РАН c 2013 года — Отделение медицинских наук.
Академик Н.В. Медуницын — один из ведущих российских специалистов в области иммунологии, аллергологии и вакцинологии. Внес крупный вклад в теорию и практику вакцинологии, в разработку критериев эффективности, безопасности и побочного действия иммунобиологических препаратов. Одним из приоритетных научных направлений Н.В. Медуницына является изучение клеточных механизмов развития поствакцинального иммунитета и замедленной гиперчувствительности. Он выдвинул и экспериментально обосновал новое теоретическое положение об антигенах гистосовместимости как универсальных акцепторах антигенов и как носителях антигенной информации, определяющих иммунологическую индивидуальность человека при вакцинации. Активно участвовал в становлении аллергологической службы в стране. Инициатор формирования вакцинологии как самостоятельного раздела науки.
Научной деятельностью Н.В. Медуницын начал заниматься на 3-м курсе кафедры патофизиологии 2-го Московского медицинского института и за первую же научную работу был награжден дипломом и двумя почетными грамотами от Министерства здравоохранения и Министерства высшего образования СССР. В 1960 году защитил кандидатскую диссертацию «О фиксирующей и антителообразовательной функции лимфатических узлов», в 1971 году ― докторскую диссертацию «Замедленная гиперчувствительность к растворимым белкам». Профессор.
Им исследована перекрестная антигенная активность пыльцы разных трав и деревьев, предложены классификации основных признаков повышенной чувствительности замедленного и немедленного типов, соотношений клеточных и гуморальных факторов антиинфекционного иммунитета при разных видах инфекций.
Основные научные достижения Н.В. Медуницына связаны с клеточной иммунологией и с медиаторами клеточного взаимодействия (цитокинами). Им показаны изменения барьерной и фиксирующей функции регионарных лимфатических узлов в зависимости от дисперсности поступающих в узел антигенов, определены клеточные механизмы развития транзиторной повышенной чувствительности замедленного типа к растворимым белкам. В руководимой Н.В. Медуницыным лаборатории впервые показана возможность использования медиаторов иммунного ответа в качестве адъювантов вакцин, в частности вакцин против гепатитов А и В, бешенства и клещевого энцефалита. Кроме того, в вирусных вакцинах, полученных с использованием клеток млекопитающих, были обнаружены провоспалительные цитокины (ФНО-альфа, ИЛ-1, ИЛ-6). Большой научный вклад Н.В. Медуницын внес в решение проблем эффективности и безопасности иммунобиологических препаратов.
В вирусных вакцинах и других иммунобиологических препаратах Н.В. Медуницыным и его учениками были обнаружены противоспалительные цитокины, изучена динамика изменения уровня цитокинов при инфекциях и вакцинации, показана возможность использования цитокинов в качестве адъювантов при вакцинации против разных инфекционных заболеваний.
Н.В. Медуницыным получены доказательства, что продукты генов гистосовместимости участвуют в образовании клеток-эффекторов гиперчувствительности замедленного типа in vitro; установлено, что эти продукты являются универсальными акцепторами для антигенов и носителями антигенной информации. В вирусных вакцинах и препаратах естественного интерферона были обнаружены сопутствующие цитокины; исследованы адъювантные свойства цитокинов, изучено их действие на развитие поствакцинального иммунитета против бешенства, вирусных гепатитов и клещевого энцефалита.
Н.В. Медуницын более 20 лет руководил Государственным НИИ стандартизации и контроля медицинских биологических препаратов им. Л.А. Тарасевича, на который были возложены функции Национального регулирующего органа. Как руководитель он выполнял большую работу по совершенствованию системы лабораторного контроля препаратов и надзора за их качеством. Возглавлявшийся им Институт занимался важным государственным делом, готовя новые биологические препараты к широкому использованию в практике здравоохранения, он и сегодня стоит на передовом рубеже по защите населения от препаратов, которые могут принести вред. Н.В. Медуницын — автор многочисленных методических и нормативных документов по производству, контролю и применению биологических средств медицинского применения
С 2000 года Н.В. Медуницын занимается активной пропагандой индивидуализации (персонализации) вакцинации с целью защиты лиц с низким уровнем иммунитета против инфекций и предотвращения случаев гипериммунизации. Он разрабатывает новое научное направление по индивидуализации вакцинации, по использованию различных методов коррекции иммунного ответа на вакцины с целью обеспечения достаточного иммунитета у каждого вакцинированного человека. Ценными для теории и практики являются работы Н.В. Медуницына по изучению источников побочного действия вакцин, работы по стандартизации и контролю иммунобиологических препаратов. Он выдвинул и обосновал основные положения иммунологической индивидуализации (персонализациии) вакцинации, с помощью персонализации, как он считает, можно достичь более эффективного персонального и коллективного иммунитета, уменьшить побочное действие вакцин и решить некоторые этические проблемы вакцинации.
Н.В. Медуницыным создана научная школа, под его руководством защищена 21 диссертация, из них 5 докторских.
Автор около 450 научных работ, 7 авторских свидетельств и патентов, в том числе соавтор патента на технологию изготовления иммунобиологического препарата КИП-ферона, который содержит нормальные сывороточные антитела и иммуностимулятор интерферон — благодаря двойному действию препарат широко используется в медицинской практике.
Им индивидуально или в соавторстве написано 9 монографий, в частности — вышло три издания книги «Вакцинология (1999, 2004, 2010), книга «Mediators of immune response» (издательство Harwood Academic Publishers, Швейцария, 1987), монографии «Медиаторы клеточного иммунитета и межклеточного взаимодействия» (1980), «Повышенная чувствительность замедленного типа» (1983), «Система Iа-антигенов. Генетика, структура, функция» (1987), двухтомное руководство по иммунобиологическим препаратам, справочник «Иммунобиологические препараты: Клинико-иммунологическая эффективность» (2005), «Основы иммунопрофилактики и иммунотерапии инфекционных болезней» (2005). Эти книги широко известны научной общественности, они не одно десятилетие определяли дух отечественной иммунологии. Н.В. Медуницын также соавтор многих нормативных документов, методических рекомендаций, указаний и санитарных правил по производству и контролю биологических препаратов.
Был основателем и первым главным редактором журналов «Иммунология» и «Биопрепараты», член редколлегий журналов «Эпидемиология и инфекционные болезни», «Эпидемиология и вакцинопрофилактика».
Был членом Бюро Отделения профилактической медицины РАМН, членом Комитета биологической стандартизации ВОЗ, председателем Комитета по иммунобиологическим препаратам, Ученым секретарем Экспертного совета ВАК РФ, возглавлял Национальный регулирующий орган по биологическим препаратам.
Член диссертационного Совета по защитам кандидатских и докторских диссертаций при ФГБУ «ГНЦ Институт иммунологии» ФМБА России.
Член правления Общероссийского общества микробиологов, эпидемиологов и инфекционистов.
Заслуженный деятель науки РФ.
Награжден орденом Почета.
Лауреат премий им. академика В.Д. Тимакова РАМН и имени академика Е.И. Смирнова Академии медико-технических наук.
Отмечен медалью «За заслуги перед отечественным здравоохранением».