Легендарная лётчица. Герой Советского Союза (1945), заместитель командира эскадрильи 46-го гвардейского женского полка ночных бомбардировщиков 4-й Воздушной армии 2-го Белорусского фронта, гвардии капитан. На фронте с 1942 г. Выполняла боевые задачи на бомбардировщике По-2. Совершила 852 боевых вылета. Будучи командиром звена, водила своё звено на ночные бомбометания. Бомбили переправы, военные склады, немецкие эшелоны, наводя ужас на неприятеля, из-за чего немцы прозвали их "ночными ведьмами".
После войны осталась в военной авиации. С 1952 г. - в отставке. Посвятила себя семье, занималась общественной деятельностью. С 1975 г. возглавляла общественную комиссию по работе среди молодежи при Российском комитете ветеранов войны и военной службы. В 1985-1991 гг. - депутат Верховного Совета СССР. Заслуженный работник культуры России. Имеет титул "Национальный Герой России".
Скончалась Н.В. Попова 6 июля 2013 года, похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище (11 уч.), рядом с мужем, Героем Советского Союза
С.И. Харламовым.