Макаренко родился в селе Москалевка . После Лохвицкой гимназии учился в Петербургской школе технического рисования имени А. Штиглица, с 1902 по 1905 год — в Петербургском археологическом институте.
Исследовательскую деятельность начал в Эрмитаже (ассистент, пом. зав. античным отделом Эрмитажа), тесно сотрудничая с Императорской Археологической комиссией. В 1902—1919 годах проводил раскопки в Новгородской, Полтавской, Екатеринославской, Харьковской и др.губ. В 1910-м году работает вместе с Н. К. Рерихом и Б. К. Рерихом на раскопках Великого Новгорода. Становится близким другом и сотрудником Н. К. Рериха.
В 1913 году Н. Е. Макаренко совершил экспедицию в Сольвычегодск. В 1914 году командирован Обществом поощрения художников в Германию, в 1917 г. — Академией наук в Турцию, где выполнял работу по описанию и охране памятников Трапезунда и окрестностей.
По материалам многочисленных экспедиций и исследований совместно с любителем русской старины А. А. Жуковым был подготовлен труд «Путевые заметки и наброски о русском искусстве». Но был издан небольшим тиражом только первый выпуск под названием «Белозерский край» (1914 г.).
Печатался в журнале «Старые годы», преподавал на Высших женских архитектурных курсах, изучал художественное наследие Михаила Ломоносова и Тараса Шевченко.
В 1918 году получил гражданство УНР и поселился в Киеве. В составе Софийской комиссии и Археологического Комитета исследовал Софийский собор, памятники Киевской Руси, Киево-Печерскую лавру, Михайловский Златоверхий собор. Участвовал в археологических раскопках Ольвии, Спасского собора в Чернигове, Крейдищанского комплекса вблизи Сум, Мариупольского могильника. Исследовал Трипольскую культуру. Вел раскопки скифских курганов. Первооткрыватель Мариупольского могильника — древнейшего в цепочке культур Северного Причерноморья, приводящей к ираноязычным скифам.
В 1920—1925 годы работал директором музея Искусств ВУАН, открывшийся на основе уникального собрания Ханенко. Макаренко много сделал для его сохранения и исследования. В 1925 протестовал против разрушения архитектурных памятников Киева. Именно благодаря принципиальной позиции М. Макаренко Софийский собор избежал участи Михайловского.
Был сотрудником Украинского института книговедения, научно-исследовательского учреждения, существовавшего в Киеве в 1922-1936 гг. на базе Главной Книжной палаты. Основными темами исследований были совсем не изученая до тех пор история украинской прессы и книги, ее искусство.
При переводе столицы Советской Украины из Харькова в Киев планировались грандиозные архитектурные изменения. Нужен был новый «правительственный советский центр», и для этого было решено снести Софийский собор, Михайловский монастырь, Трехсвятительскую церковь. Впоследствии храм Софии решено было оставить, а на месте монастыря и Трехсвятительской церкви построить два дворца: Совнаркома и ЦК КП, а между ними поставить огромный памятник Ленину. Такие варварские планы взволновали сознательных граждан, и в первую очередь интеллигенцию. Профессор Макаренко решительно выступил против этих проектов. В своем обращении к Сталину но указывал на бессмысленность подобных решений.
Арестован 26 апреля 1934 по обвинению в принадлежности к КРО(по другим свидетельствам — за отказ подписать акт о сносе Михайловского Златоверхого собора Михайловского Златоверхого монастыря, обратился с обширной телеграммой к Сталину и лично к Постышеву), сослан на три года в Казань, где преподавал в художественном техникуме, был консультантом Центрального музея. Повторно арестован 24 апреля 1936 по тому же обвинению и осуждён на три года и отправлен в Томскую исправительно-трудовую колонию № 2. 15 декабря 1937 года в третий раз арестован как «участник кадетско-монархической повстанческой организации». 25 декабря 1937 постановлением «тройки» УНКВД по Новосибирской области приговорен к «высшей мере наказания». Приговор приведен в исполнение в тюрьме 4 января 1938 года. Место захоронения неизвестно.
Реабилитирован Постановлениями Верховного суда Татарской АССР от 07.07.1960 и Томского областного суда от 28.01.1965, Президиумом Верховного Совета СССР от 16.01.1989.