Karjeru Ārlietu ministrijā N. Penke sāka 1992. gadā Juridiskā departamenta direktora amatā. Bijis valsts sekretāra vietnieks juridiskajās un konsulārajās lietās, kā arī starptautisko organizāciju un ārējās tirdzniecības jautājumos. No 2004. gada līdz 2008. gadam pildīja Ārlietu ministrijas valsts sekretāra pienākumus.
Kopš 2017. gada viņš bija Ārlietu ministrijas ģenerālinspektors.
Kā ārkārtējais un pilnvarotais vēstnieks Latvijas intereses pārstāvējis Lielbritānijas un Ziemeļīrijas Apvienotajā Karalistē, Krievijas Federācijā, ANO Ņujorkā un Japānā. Pildījis nerezidējošā vēstnieka pienākumus Īrijā un Korejas Republikā. Kopš 2018. gada – nerezidējošais ārkārtējais un pilnvarotais vēstnieks Indonēzijas Republikā, Singapūras Republikā un Malaizijā.
Par darba ieguldījumu apbalvots ar Latvijas Republikas Atzinības krustu (II šķira), Igaunijas Republikas Terra Mariana krusta ordeni un Beļģijas Karalistes Leopolda ordeni, kļūstot par tā virsnieku.
Vēstnieks N. Penke ieguvis augstāko izglītību Latvijas Universitātes Juridiskajā fakultātē un karjeras sākumā papildinājis zināšanas Oksfordas Universitātes Ārlietu dienesta programmā.
N. Penke amatā nomaina Ilzi Rūsi, kura ārkārtējās un pilnvarotās vēstnieces pienākumus Zviedrija pildīja kopš 2021. gada.
