Учёный в области неорганической химии и химической технологии, академик АН СССР (1962).
Директор научно-исследовательского Физико-химического института им. Л.Я. Карпова (1944 – 1948). С 1962 г. директор института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова АН СССР.
Основные работы в области неорганической химии и химической технологии. Н.М. Жаворонковым совместно с сотрудниками проведены систематические исследования гидродинамики, массо- и теплопередачи в процессах абсорбции, ректификации, молекулярной дистилляции; изучены отдельные стадии производства синтетического аммиака и азотной кислоты, химии и технологии стабильных изотопов лёгких элементов; получены препараты тяжёлого азота и кислорода высокой концентрации; разработаны методы разделения смесей и тонкой очистки веществ.
Награжден 2 орденами Ленина, 4 др. орденами, а также медалями.
В Российском государственном архиве в г. Самаре на постоянном хранении находятся заявочные материалы на изобретения Жаворонкова Н.М. (Ф. Р-1).
Перечень этих документов представлен в базе данных «Патентный каталог».
Подробнее с документами и базой данных можно ознакомиться в читальном зале архива по адресу: г. Самара, ул. Мичурина, д. 58.