Складно переоцінити внесок Миколи Дмитровича в науку. Він плідно працює в галузі екологічної безпеки та ресурсоефективнихтехнологій. Основні напрями його досліджень: фізико-хімічні основи процесів очищення води та переробки осадів, раціональне використання водних ресурсів у промисловому водокористуванні, захист атмосфери від забруднення токсичними викидами, розроблення ресурсоефективних технологій виробництв.
Розробки Гомелі М.Д. мають вагоме практичне значення: ефективні коагулянти та флокулянти, іонообмінні та електрохімічні методи видалення важких металів і радіонуклідів, технології обробки води для систем охолодження, переробки й утилізації відходів, нові реагенти для хімічної, нафтопереробної та целюлозно-паперової галузей. Його метод очищення стічних вод із вилученням нафтопродуктів працює на виробництві, зокрема на Київському картонно-паперовому комбінаті.
Микола Дмитрович є автором понад 500 опублікованих праць наукового, навчального та навчально-методичного характеру, у тому числі 80 авторських свідоцтв і патентів, 300 статей у фахових виданнях, з яких 76 опубліковано в журналах, що входять до наукометричних баз, 40 навчально-методичних праць, 20 навчальних посібників і 7 підручників. Він також є автором 15 монографій. Про високий рівень наукової та педагогічної майстерності Миколи Дмитровича свідчить і те, що він чотири рази, у 2006, 2007, 2012 та 2014 роках, перемагав у загальноуніверситетському конкурсі й отримував почесне звання «Викладач-дослідник».
За роки роботи він заснував і розвинув наукову школу «Кондиціювання природних та очищення стічних вод», виростивши цілу плеяду фахівців і молодих учених: під його керівництвом захищено 22 кандидатські та 6 докторських дисертацій.
Микола Дмитрович також бере активну участь у розвитку української освіти й науки. Він тривалий час був членом президії навчально-методичної комісії МОН України з екології та охорони навколишнього середовища, експертом з акредитації спеціальностей «Екологія та охорона навколишнього середовища» та «Хімічна технологія переробки деревини та рослинної сировини», головою секції за фаховим напрямом «Охорона навколишнього середовища» Наукової ради МОН України, членом комісії Комітету з Державних премій України в галузі науки і техніки. Нині є членом двох спеціалізованих рад із захисту докторських та кандидатських дисертацій, а також міжнародної асоціації SWST (International Society of Wood Scienceand Technology).
Науковий шлях Миколи Дмитровича розпочався у 1974 році, коли випускник школи із села Тернівка, що на Вінниччині, вступив до Київського політехнічного інституту, обравши органічний синтез. Уже в студентські роки він вирізнявся наполегливістю та схильністю до серйозних наукових досліджень, а вільний час присвячував роботі в хімічній лабораторії.
Після закінчення у 1980 році хіміко-технологічного факультету Микола Дмитровичдев'ять років працював в Інституті органічної хімії АН УРСР, де вивчав малодосліджені реакції йодфосфінів. У кандидатській дисертації «Синтез та реакції диорганілйодфосфінів» (1988) було встановлено механізм їхньої взаємодії з ефірами, спиртами та водою й виявлено нетипову поведінку цих сполук, пов'язану з димеризацією. Перші праці Гомелі М.Д. й нині цитують сучасні дослідники.
З 1989 року професійна доля Миколи Дмитровича пов'язана з КПІ імені Ігоря Сікорського, де він розпочав роботу науковим співробітником кафедри електрохімії. У 1997 році Микола Дмитрович очолив кафедру технології целюлозно-паперового виробництва та промислової екології. Під його керівництвом у 2002 році її реорганізовано в кафедру екології та технології рослинних полімерів, яку він очолював до 2025 року. Докторську дисертацію захистив у 2003 році, звання професора отримав у 2005 році.
Так формувався вчений, чиє ім'я сьогодні добре відоме в науковому світі.