С 1990 по 1992 год работал помощником прокурора по надзору за следствием в органах госбезопасности в Петербурге. В 1992 году стал старшим помощником прокурора по надзору за следствием в органах госбезопасности в городе Санкт-Петербург.

     Далее в течении трех лет являлся начальником отдела по надзору за исполнением законов о федеральной безопасности прокуратуры в Санкт-Петербурге. В 1995 году назначен прокурором Московского района города Санкт-Петербург. Затем два года работал заместителем прокурора - начальником следственного управления города Санкт-Петербург. С 1999 года занимал пост заместителя прокурора северной столицы.

     С 2001 по 2003 год Николай Винниченко назначен главным федеральным инспектором в управлении по работе с органами власти субъектов Российской Федерации аппарата полномочного представителя Президента Российской Федерации в Северо-Западном федеральном округе города Санкт-Петербург. Затем один год занимал кресло прокурора Санкт-Петербурга. С 2004 по 2008 год являлся директором Федеральной службы судебных приставов - главным судебным приставом Российской Федерации в Москве.

     Николай Александрович в 2008 году в течении трех лет работал полномочным представителем Президента Российской Федерации в Уральском федеральном округе. С 2011 по 2013 год выступал полномочным представителем Президента Российской Федерации в Северо-Западном федеральном округе.

     Указом Президента России в 2013 году Николай Александрович Винниченко занял должность заместителя Генерального прокурора Российской Федерации.

Курирует вопросы исполнения законов на транспорте, надзора за законностью исполнения уголовных наказаний, а также организацию работы по рассмотрению обращений и приема граждан.

     Является Действительным государственным советником юстиции I класса. За укрепление законности и правопорядка неоднократно поощрялся, награжден государственными и ведомственными наградами: Орден Почета, Медаль «В память 300-летия Санкт-Петербурга», Медаль «За заслуги в проведении Всероссийской переписи населения», Медаль «В память 1000-летия Казани», Орден святого благоверного князя Даниила Московского II степени.