С 1955 года Тимченко — солист Государственного академического Большого театра СССР. В Большом театре дебютировал в опере «Евгений Онегин» с партией Ленского, дебют прошел успешно и благодаря этому Н. Тимченко стал ведущим тенором Большого театра. В 1961 году певец в составе группы советских артистов был направлен на двухлетнюю стажировку в миланский театр Ла Скала, Италия. После стажировки вновь вернулся в Большой театр. На ту пору его основной работой было исполнение партий Лемешева и Козловского, великих теноров Большого театра того времени. Деятельность по замещению приводила певца в уныние, в связи с исполнением чужих приемов и работ. В 1968 году он оставил сцену Большого театра и перешел в Росконцерт. Концертный репертуар выделялся большим разнообразием и уверенным актёрским мастерством. Он исполнял песни о Великой Отечественной войне, эстрадные песни и старинные романсы. Критики отмечали его красивый голос и благородную манеру исполнения. В течение 20 лет Николай гастролировал по стране с концертными программами. Также посещал Чернобыльскую зону после аварии 1986 года.