Учёный в области автоматики и телемеханики. Академик АН СССР (1966; член-корреспондент, 1958). Член Президиума АН СССР (с 1967). Дважды Герой Социалистического Труда (1956, 1961). Родился 5(18).5.1908 в Красном Селе, ныне в составе Санкт-Петербурга. Член КПСС с 1940. Окончил МВТУ (1935). Работал в ЦАГИ (1934—41), Лётно-исследовательском институте (1941—44, Жуковский). В 1944 переведён на работу в отдел управления НИИ–1 (Москва), созданного на базе Реактивного НИИ (РНИИ). В 1945—46 в составе группы специалистов (возглавляемой С. П. Королёвым) участвовал в создании центра по изучению конструкции ракеты Фау-2 (V-2, Германия). С 1946 главный конструктор НИИ–885, с 1963 главный конструктор и директор НИИ автоматики и приборостроения (ныне ФГУП НПЦ Автоматики и приборостроения им. академика Н. А. Пилюгина, Москва). В 1946—63 член Совета главных конструкторов, учреждённого Королёвым. Под руководством Пилюгина созданы системы управления многих боевых ракетных комплексов и ракет-носителей, в т. ч. Р–5 (1956), Р–7 (1957), и космических ракет серий «Спутник», «Восток», «Восход», «Луна», «Молния», «Союз» и др. При активном участии Пилюгина и под его руководством созданы системы управления пилотируемых и транспортных космических кораблей типа «Восток», «Восход», «Союз», «Прогресс», а также космических аппаратов для посадки на Луну и Венеру, облёта Луны, спутников Марса и др. Пилюгин руководил (по 1982) разработкой системы управления орбитального корабля «Буран» (1988) многоразовой космической системы «Энергия–Буран». С 1969 заведующий кафедрой Московского института радиотехники, электроники и автоматики; профессор с 1970. Ему принадлежала главная роль в создании теории проектирования прецизионных систем управления летательных аппаратов, разработке методов анализа и синтеза сложных динамических систем, методик моделирования процессов управления на аналого-цифровых средствах и др. Депутат Верховного Совета СССР 7—10-го созывов. Ленинская премия (1957). Государственная премия СССР (1967). Награждён 5 орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, медалями. Скончалась 2.8.1982 в Москве.

Н.А.Пилюгину установлен памятник на улице Академика Пилюгина.

Вместе с Н.А.Пилюгиным похоронена Пилюгина Антонина Константиновна (1911–1992), жена Н.Пилюгина.