Російський физикохимик Микола Миколайович Семенов народився в Саратові, в сім'ї Миколи та Олени Дмитрівни Семенових. Закінчивши в 1913 р. середню школу в Самарі, він поступив на фізико-математичний факультет Санкт-Петербурзького (Ленінградського) університету, де, навчаючись у відомого російського фізика Абрама Іоффе, проявив себе активним студентом.
Закінчивши університет у 1917 р., в рік звершення російської революції, Семенов працював асистентом на фізичному факультеті Томського університету в Сибіру. У 1920 р. на запрошення Іоффе Семенов повернувся до Ленінграда, ставши заступником директора Петроградського (Ленінградського) фізико-технічного інституту і керівником його лабораторії електронних явищ. У співпраці з Петром Капіцею Семенов запропонував спосіб вимірювання магнітного моменту атома в неоднорідному магнітному полі, описавши експериментальний процес в статті, яка була опублікована в 1922 р. Цей метод був пізніше успішно розвинений Отто Штерном і Вальтером Герлахом.
Проблема іонізації газів була, мабуть, першою науковою проблемою, яка зацікавила Семенова. Ще будучи студентом університету, він опублікував свою першу статтю, в якій говорилося про зіткнення між електронами і молекулами. Після повернення з Томська Семенов зайнявся більш глибокими дослідженнями процесів дисоціації і рекомбінації, в т.ч. потенціалом іонізації металів і парів солей. Результати цих та інших досліджень зібрані в книзі «Хімія електрона», яку він написав у 1927 р. у співавторстві з двома своїми студентами. Семенов цікавився також молекулярними аспектами явищ адсорбції і конденсації парів на твердій поверхні. Проведені ним дослідження розкрили взаємозв'язок між щільністю пари і температурою поверхні конденсації. У 1925 р. разом з відомим фізиком-теоретиком Яковом Френкелем він розробив всеосяжну теорію цих явищ.
Інша сфера інтересів Семенова в той час належала до вивчення електричних полів і явищ, пов'язаних з проходженням електричного струму через гази і тверді речовини. Вчений, зокрема, досліджував проходження електричного струму через гази, а також механізм пробою твердих діелектриків (електрично інертних речовин) під дією електричного струму. На підставі цього останнього дослідження Семенов і Володимир Фок, що прославився своїми роботами в галузі квантової фізики, розробили теорію теплового пробою діелектриків. Це в свою чергу підштовхнуло Семенова до проведення роботи, яка призвела до його першого важливому внеску в науку про горіння - створення теорії теплового вибуху й горіння газових сумішей. Відповідно до цієї теорії, тепло, що виділяється в процесі хімічної реакції, за певних умов не встигає відводитися з зони реакції і викликає підвищення температури реагуючих речовин, прискорюючи реакцію і приводячи до виділення ще більшої кількості тепла. Якщо наростання кількості тепла йде досить швидко, то реакція може завершитися вибухом.
Незабаром після закінчення цієї роботи в 1928 р. Семенов був призначений професором Ленінградського фізико-технічного інституту, де він допоміг організувати фізико-механічне відділення, а також ввів навчання фізичної хімії. За його наполяганням і за допомогою його колег, зацікавлених у розвитку фізичної хімії, лабораторія фізики електрона перетворилася в 1931 р. в Інститут хімічної фізики Академії наук СРСР, і Семенов став його першим директором. У 1929 р. він був обраний членом-кореспондентом Академії наук СРСР, а в 1932 р. став академіком.
До цього часу Семенов вів глибокі дослідження ланцюгових реакцій. Вони являють собою серію самоініцііруемих стадій в хімічній реакції, яка, одного разу почавшись, продовжується до тих пір, поки не буде пройдено остання стадія. Незважаючи на те що німецький хімік Макс Боденштейн вперше припустив можливість таких реакцій ще в 1913 р., теорії, що пояснює стадії ланцюгової реакції і показує і її швидкість, не існувало. Ключем же до ланцюгової реакції служить початкова стадія утворення вільного радикала - атома або групи атомів, що володіють вільним (неспареним) електроном і внаслідок цього надзвичайно хімічно активних. Одного разу утворившись, він взаємодіє з молекулою таким чином, що в якості одного з продуктів реакції утворюється новий вільний радикал. Новостворений вільний радикал може потім взаємодіяти з іншою молекулою, і реакція продовжується до тих пір, поки щось не завадить вільним радикалам утворювати собі подібні, тобто поки не станеться обрив ланцюга.
Особливо важливою ланцюговою реакцією є реакція розгалуженої ланцюга, відкрита в 1923 р. фізиками Г.А. Крамерса і І.А. Крістіансеном. У цій реакції вільні радикали не тільки регенерують активні центри, але й активно множаться, створюючи нові ланцюги і примушуючи реакцію йти все швидше і швидше. Фактичний хід реакції залежить від ряду зовнішніх обмежувачів, наприклад таких, як розміри посудини, в якому вона відбувається. Якщо число вільних радикалів швидко зростає, то реакція може призвести до вибуху. У 1926 р. два студенти Семенова вперше спостерігали це явище, вивчаючи окислення парів фосфору водяними парами. Ця реакція йшла не так, як їй потрібно було йти у відповідності з теоріями хімічної кінетики того часу. Семенов побачив причину цієї невідповідності в тому, що вони мали справу з результатом розгалуженої ланцюгової реакції. Але таке пояснення було відкинуто Максом Боденштейном, в той час визнаним авторитетом з хімічної кінетики. Ще два роки тривало інтенсивне вивчення цього явища Семеновим і Сирілом Н. Хиншелвудом, який проводив свої дослідження в Англії незалежно від Семенова, і після цього терміну стало очевидно, що Семенов був правий.
У 1934 р. Семенов опублікував монографію «Хімічна кінетика і ланцюгові реакції», в якій довів, що багато хімічних реакцій, включаючи реакцію полімеризації, здійснюються за допомогою механізму ланцюгової або розгалуженої ланцюгової реакції. У наступні десятиліття Семенов та інші вчені, які визнали його теорію, продовжували працювати над проясненням деталей теорії ланцюгової реакції, аналізуючи відносні досвідчені дані, багато з яких були зібрані його студентами і співробітниками. Пізніше, в 1954 р., була опублікована його книга «Про деякі проблеми хімічної кінетики і реакційної здатності», в якій учений узагальнив результати відкриттів, зроблених ним за роки роботи над своєю теорією.
У 1956 р. Семенову спільно з Хиншелвудом була присуджена Нобелівська премія з хімії «за дослідження в області механізму хімічних реакцій». У Нобелівській лекції Семенов зробив огляд своїх робіт над ланцюговими реакціями: «Теорія ланцюгової реакції відкриває можливість ближче підійти до вирішення головної проблеми теоретичної хімії - зв'язки між реакційною здатністю і структурою частинок, що вступають в реакцію ... Навряд чи можна в якій би то не було мірою збагатити хімічну технологію або навіть домогтися вирішального успіху в біології без цих знань ... Необхідно поєднати зусилля освічених людей усіх країн і вирішити цю найбільш важливу проблему для того, щоб розкрити таємниці хімічних і біологічних процесів на благо мирного розвитку та благоденства людства ».
Після того як у 1944 р. Семенов був призначений професором МГУ, він продовжував публікувати свої роботи з різних проблем аж до 80-х рр.. Його об'ємна робота з окислення парів фосфору не втратила своєї актуальності і сьогодні, через 50 років з дня її створення. Під час другої світової війни Інститут хімічної фізики переїхав до Москви. Багато напрямів проведених там досліджень безпосередньо пов'язані з первинними науковими інтересами Семенова, хоча тепер вони здійснюються за допомогою мас-спектрометрії та квантової механіки.
Навіть в останні роки життя Семенов, за словами його колег, залишався ентузіастом науки, творчою особистістю, яку відрізняла що б'є через край. Він був високий і худорлявий, любив полювати і працювати в саду, захоплювався архітектурою. Семенов і Наталія Миколаївна Бурцева, на якій він одружився в 1924 р., жили в Москві, де вона викладала спів. У подружжя народилося двоє дітей: син і дочка. Семенов помер 25 вересня 1986 р. у віці 90 років.
За роботу зі створення теорії ланцюгових реакцій Семенов в 1941 р. був удостоєний радянської урядової нагороди - Сталінської премії. Серед інших його нагород - орден Леніна, орден Трудового Червоного Прапора, золота медаль імені Ломоносова Академії наук СРСР. Володар почесних ступенів ряду європейських університетів, Семенов був обраний почесним членом Лондонського королівського товариства. В Академії наук СРСР учений займав велике число офіційних посад. Крім того, він був обраний членом академій багатьох інших країн, включаючи США.