В 1939 году после окончания техникума механизации сельского хозяйства был призван в армию в танковые войска. Служил в группе советских войск в Монголии. Побывав на военном аэродроме и познакомившись с образцами вооружения советских и японских самолетов, сержант Афанасьев в 1940 году разработал проект двуствольного авиационного пулемета с весьма оригинальной для того времени автоматикой: откат под действием отдачи одного ствола обеспечивал перезаряжение второго и наоборот. Таким образом, техническую скорострельность удавалось увеличить до четырех тысяч выстрелов в минуту. Информация о чертежах попала к командарму Г. К. Жукову, и сержант Афанасьев был направлен в Улан-Батор, где ему предоставили помещение в штабе армии, полное содействие и два месяца, в течение которых он должен был закончить теоретическую проработку.
С февраля 1943-го по 1948 год он работал в конструкторском бюро НИПСМВО. Победил в конкурсе по разработке предохранителя от «двойного заряжания» 82-мм и 120-мм минометов. Предохранитель конструкции Афанасьева отличался простотой действия и высокой надежностью. Подобное устройство, спасшее немало солдатских жизней в годы войны, было создано впервые в отечественной практике и стало первой разработкой, принесшей славу Николаю Михайловичу. После войны он работал в минометном КБ Б. Н. Шавырина, с февраля 1948 года — в Тульском ЦКБ-14.
Всего Афанасьев сконструировал более тридцати образцов стрелкового и пушечного вооружения. В 1949 году, разрабатывая 12,7-мм авиационный пулемет, Николай Михайлович предложил конструктивную схему автоматики газоотводного типа с ударным ускорительным механизмом досылания и клиповым запиранием. Эта схема стала важным этапом в развитии автоматического оружия газоотводного типа. В сентябре 1953 года 12,7-мм авиационный пулемет конструкции Н. М. Афанасьева (А-12,7) с темпом стрельбы 800—1000 выстрелов в минуту был принят на вооружение; он устанавливался на вертолетах Ми-4, Ми-16 и самолетах Л11-2, Як-18, МиГ-17У, МиГ-19У, МиГ-21У.
В 1954 году была принята на вооружение 23-мм авиационная пушка АМ-23 конструкции Афанасьева — Макарова с темпом стрельбы 1250–1350 выстрелов в минуту. Ее ставили на самолеты Ту-16, Ту-95, М-3, Ан-8, Ан-12Б, Бе-6, Бе-8. В 1971–1974 годах под руководством Афанасьева был разработан пистолет-пулемет «Букет», который прошел полигонные испытания, но на вооружение принят не был из-за малой дальности — 75 метров. В 1979–1989 годах Афанасьев участвовал в конкурсной опытно-конструкторской работе под шифром «Абакан» по разработке малогабаритных пистолетов-пулеметов для армейских и милицейских спецподразделений.
В начале 1990-х годов в соавторстве с В. Панфиловым, Д. Плешковым и Н. Трухачевым разработал пистолет-пулемет ОЦ-02 «Кипарис», который с 1992 года производится серийно. «Кипарис» снабжен прибором бесшумной беспламенной стрельбы, снижающим звук при выстреле до хлопка, и лазерным целеуказателем, убыстряющим прицеливание. Он имеет штампосварную конструкцию, не требует сложного дорогостоящего оборудования. Работает одинаково надежно в самых разных климатических условиях. Состоит на вооружении МВД, ФСО, Минюста, Федеральной таможенной службы.
Г. С. Гаранин участвовал в конкурсе по разработке противотанкового ружья (ПТР) по заданию В. А. Дегтярева в составе специальной группы из ОКБ-2 города Коврова во главе с А. А. Дементьевым. Ружье имело короткий ход ствола под патрон 14,5x114. Затем было разработано однозарядное ружье с автоматическим открыванием затвора и выбрасыванием гильзы. ПТР несколько уступало ружью Симонова по скорострельности (семь выстрелов в минуту против десяти), но было заметно легче (17,3 килограмма против 24). Ружье было испытано на полигоне и показало хорошие результаты, но на вооружение было принято доработанное по замечаниям ГАУ противотанковое ружье конструкции Дегтярева. Боевое крещение советские ПТР получили в битве за Москву.
В 1944 году в качестве ведущего конструктора Гаранин вместе с В. Селезневым разработал для станкового пулемета Горюнова СГ-43 упрощенный колесный станок, характеризовавшийся гораздо более высокими показателями при эксплуатации в затрудненных условиях. При этом повысилось удобство его переноски в походном положении, в окопах, ползком при волочении пулемета за собой, было обеспечено более удобное пользование механизмами наведения и зажимными устройствами, укреплены колеса и их посадка на осях, а также прочность всего станка. Так же как и станок Дегтярева, модернизированный станок можно было использовать для наземной и зенитной стрельбы. Применение амортизации оружия на станке увеличило его устойчивость во время ведения огня, что в значительной мере повысило меткость стрельбы.