Родился 18 сентября 1924 г. в с. Нижний Белоомут Зарайского уезда Рязанской губернии (ныне поселок городского типа Белоомут Луховицкого района Московской области) в крестьянской семье Иосифа Николаевича и Прасковьи Макаровны Горяйновых. Родители воспитывали четверых детей, старшим из которых был Николай. Желая быть призванным в действующую армию, приписал себе один год, поэтому в документах указан 1923 г. как год его рождения.

Отец, участник Великой Отечественной войны, пропал без вести под Смоленском в 1941 г. Сестра – Антонина Иосифовна – добровольцем ушла на фронт, в 1942-1945 гг. служила шестым номером расчета зенитного орудия 24-й батареи 1764-го зенитно-артиллерийского полка противовоздушной обороны Московского военного округа. Участвовала в первых салютах в честь освобождения городов Курска и Белгорода.

Горяйнов окончил 9 классов Белоомутской средней школы, был комсоргом. В 1941 г. окончил Касимовский аэроклуб.

В Красной Армии с апреля 1941 г. В 1943 г. окончил Батайскую военную авиационную школу пилотов им. А.К. Серова (ныне Краснодарский филиал «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия» имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина); оставлен в ней летчиком-инструктором, в этой должности служил до 1947 г. Член ВКП(б) с 1947 г.

В 1948 г. окончил Высшую офицерскую авиационно-инструкторскую школу в г. Грозный, в которой до 1951 г. работал летчиком-инструктором. В 1953 г. Николай Иосифович окончил школу летчиков-испытателей Летно-исследовательского института (г. Жуковский Московской области), где с июня 1953 по апрель 1955 г. работал в должности летчика-испытателя. Провел ряд испытательных работ на тяжелых самолетах по тематике института.

В 1955-1960 гг. – летчик-испытатель Опытно-конструкторского бюро (ОКБ) В.М. Мясищева (г. Жуковский Московской обл.). 11 июля 1955 г. первым в стране выполнил успешную конусную дозаправку в воздухе на самолете М-4 и провел испытания по ее отработке. 27 марта 1956 г. в качестве второго пилота (командир – М.Л. Галлай) выполнил первый полет на бомбардировщике 3М и провел его испытания. 29 сентября 1956 г. на самолете М-4 выполнил успешную посадку в грозу на одном двигателе.

8 февраля 1957 г. Горяйнов совершил сверхдальний полет с двумя дозаправками по маршруту Раменское - Шантарские острова (в Охотском море) - Раменское. В 22 час. с аэродрома в Раменском взлетел самолет-заправщик, пилотируемый Б.М. Степановым, а вслед за ним заправляемая машина 201М Горяйнова. Первую дозаправку произвели через три часа в районе Омска. После переговоров по радио и соответствующих маневров произошел контакт. Отдав Горяйнову положенные тонны горючего, Степанов вернулся на аэродром. Самолет Николая Иосифовича продолжил путь на восток. Долетев до места, он развернулся и лег на обратный курс. Навстречу ему на другом заправщике вылетел Ф.Ф. Опадчий. Машины летели навстречу друг другу со скоростью 1 600 км/ч. Новым местом встречи было определено озеро Чаны, расположенное между Омском и Новосибирском. В заданной точке самолеты встретились, и 201М вновь получил топливо. Всего самолет Горяйнова пробыл в воздухе 17 часов.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 19 октября 1957 г. за героизм и высокое летное мастерство, проявленные при испытаниях авиационной техники, подполковнику Горяйнову Николаю Иосифовичу было присвоено звание Героя Советского Союза.

16 сентября 1959 г. Горяйнов установил 2 мировых авиационных рекорда высоты и грузоподъемности на самолете 3М: высоты с грузом 5 000 и 10 000 кг (15 317 м). В 1959 г. выполнил первый полет и провел комплекс заводских испытаний сверхзвукового стратегического бомбардировщика М-50. В 1960-1961 гг. Горяйнов - летчик-испытатель филиала № 1 ОКБ-52 В.Н. Челомея, в 1961-1971 гг. – летчик-испытатель ОКБ А.Н. Туполева. В декабре 1969 г. Николай Иосифович провел испытание первого серийного пассажирского самолета Ту-154 производства Куйбышевского авиазавода; участвовал в испытаниях Ту-22, Ту-124, Ту-134, Ту-154 и других самолетов.

С марта 1971 г. полковник Н.И. Горяйнов в запасе.

Награжден 2 орденами Ленина, орденом Красного Знамени, 2 орденами Красной Звезды, медалью «За боевые заслуги» и др. медалями. В 1967 г. Горяйнову было присвоено звание «Заслуженный летчик-испытатель СССР».

Жил в г. Жуковский Московской области. Избирался депутатом Жуковского городского Совета народных депутатов.

Умер 23 сентября 1976 г. Похоронен на Быковском кладбище г. Жуковский.

В книге Д.И. Гая «Небесное притяжение: жизнь выдающегося конструктора самолетов В.М. Мясищева» (М., 1984) есть такие строки о Н.И. Горяйнове: «Герой Советского Союза Николай Иосифович Горяйнов… Его жизнь — пример самоотверженного служения авиации. Моложе большинства своих товарищей, взрывной, импульсивный, он летал великолепно, хотя и с некоторым надрывом, в каждом полете выкладывался весь, без остатка. Порой он неоправданно рисковал, но победителей не судят. К сожалению, он рано умер, не реализовав многое из того, чем так щедро одарила его природа».

В 2000 г. на родине Николая Иосифовича – в поселке Белоомут – ему установлен памятник. В комнате боевой славы Белоомутской средней школы № 1 оформлен стенд, посвященный Герою. В школе для учеников учреждена премия имени Героя Советского Союза Н.И. Горяйнова, присуждаемая за отличную успеваемость и активную общественную деятельность. В работе Зала боевой славы принимает активное участие сестра Героя - председатель Совета ветеранов Белоомутского городского поселения Антонина Иосифовна Панфилова.

В 2011 г. в г. Жуковском на доме № 6 по улице Ломоносова установлена памятная доска с надписью: «В этом доме жил с 1956 г. по 1976 г. Герой Советского Союза, заслуженный летчик-испытатель СССР, полковник Горяйнов Николай Иосифович».

В 1990 г. Министерством связи СССР выпущен почтовый конверт с портретом Героя Советского Союза полковника Н.И. Горяйнова (художник Г. Кравчук). В 2013 г. в серии «Знаменитые рязанцы» вышла почтовая карточка с портретом Героя Советского Союза Николая Иосифовича Горяйнова.