В июне 1941 года был  призван в армию. В действующей армии с марта 1942 года. К осени 1943 года красноармеец Шлемов был заместителем командира отделения 217-го отдельного батальона инженерных заграждений 44-й отдельной инженерной бригады специального назначения. Особо отличился при форсировании реки Днепр.
В ночь на 26 ноября 1943 года при форсировании Днепра в районе селе Разумовка (Запорожский район Запорожской области) красноармеец Шлемов, будучи старшим расчета, переправлял личный состав и вооружение 185-го и 180-го гвардейских стрелковых полков 60-й гвардейской стрелковой дивизии. На деревянной складной лодке под огнем противника совершил 10 рейсов, переправив на правый берег 5 станковых пулеметов, 2 миномета и до 100 человек из состава.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 22 февраля 1944 года за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство красноармейцу Шлемову Николаю Тихоновичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
После войны младший сержант Шлемов был демобилизован. Жил в городе-герое Киеве. Работал калибровщиком в артели «Инжтехтруд».