В 1943 году Охрименко Добровольно ушёл и был принят на службу в Рабоче-крестьянскую Красную Армию.  С марта того же года — на фронтах Великой Отечественной войны. В боях два раза был ранен.

К сентябрю 1943 года сержант Николай Охрименко командовал пулемётным расчётом 465-го стрелкового полка 167-й стрелковой дивизии 38-й армии Воронежского фронта. Отличился во время битвы за Днепр. В ночь с 29 на 30 сентября 1943 года расчёт Охрименко переправился через Днепр и принял активное участие в боях за захват и удержание плацдарма на его западном берегу, лично уничтожив пулемётную точку противника. 12 октября 1943 года в бою у села Лютеж Вышгородского района Киевской области Украинской ССР Охрименко получил ранение, но продолжал сражаться.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 13 ноября 1943 года за «мужество и отвагу, проявленные при форсировании Днепра и удержании плацдарма на правом берегу реки» сержант Николай Охрименко был удостоен высокого звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».