Родился в д. Мижули Чебоксарского уезда Казанской губернии (ныне Мариинско-Посадского района Чувашской Республики).
В 1934–1937 гг. учился в Алатырском художественно-граверном училище, в 1937–1939 гг. – в подготовительных классах при Академии художеств в г. Ленинград. Участник советско-финской и Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. Член Союза художников СССР с 1944 г. В 1951 г. окончил Институт живописи, скульптуры и архитектуры им. И.Е. Репина Академии художеств СССР по мастерской профессора Р.Р. Френца, в 1954 г. – аспирантуру Академии художеств СССР по творческой мастерской народного художника СССР А.М. Герасимова. В 1954–1959 гг. работал в Ленинградском отделении Союза художников РСФСР. С 1959 г. начал творческую работу в Союзе художников Чувашской АССР. В 1963–2004 гг. работал доцентом, профессором кафедры живописи, заведующим кафедрой изоискусств (живописи) в Чувашском государственном педагогическом институте имени И.Я. Яковлева. В 1971 г. – слушатель Университета культуры в Эгере (Венгрия). Кандидат искусствоведения, профессор. Являлся председателем правления Союза художников Чувашской АССР (1961–1967, 1970–1979, 1980–1985), секретарем правления Союза художников РСФСР (1970–1975).
Проявил мастерство в произведениях реалистичной живописи, посвященных значимым событиям истории и его современности. Среди его работ преобладают портреты современников – ученых, писателей и поэтов, композиторов, художников, строителей, рабочих и колхозников и т.д. Основные произведения: «В сельмаге», «Мартовское солнце», «Трудовая Волга», «На Родине», «Портрет чувашского писателя Н. Ильбека», «Портрет народного поэта Чувашии П. Хузангая», «Поэт Яков Ухсай», «Ф.Н. Орлов – Герой Советского Союза», «Здравствуй, Земля!», «Покорители – строители Чебоксарской ГЭС», «Масленица», «А. Пушкин и Н. Бичурин в Петербурге», «И.Я. Яковлев у государя Николая II», «Сеспель Мишши. Вызов морю». Более 500 произведений Н.В. Овчинникова сосредоточены в собраниях 35 художественных музеев и галерей страны и за рубежом. Участник чувашских республиканских, региональных всероссийских, всесоюзных и зарубежных выставок. Автор книги «Миг между прошлым и будущим».
Вел активную общественно-политическую деятельность: являлся членом Чувашского обкома КПСС, избирался депутатом Чебоксарского городского Совета народных депутатов, Верховного Совета Чувашской АССР 6-го созыва (1963–1967).
Награжден орденами Отечественной войны 2-й степени, Дружбы народов, медалями. Народный художник Чувашской АССР, народный художник РСФСР. Лауреат Государственной премии Чувашской АССР имени К.В. Иванова. За большие заслуги в развитии изобразительного искусства, активную педагогическую и общественную деятельность 17 января 1989 г. занесен в Почетную Книгу Трудовой Славы и Героизма Чувашской АССР.