Николай Николаевич Семенов родился 15 апреля 1896 года в Саратове. В 1913 году Николай окончил Самарское реальное училище с занесением на золотую доску. В июле 1913 года поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петроградского университета, который окончил в 1917 году, получив диплом первой степени, и был оставлен при университете профессорским стипендиатом.

Весной 1918 года Семёнов поехал к родителям в Самару на каникулы, где был мобилизован в Колчаковскую белогвардейскую народную армию, служил коноводом в артиллерийской батарее. Прослужив 3 недели, Семенов дезертировал и поехал в Томск, который был ближайшим к нему университетским городом, в который он мог попасть.

Около двух лет, с сентября 1918 по март 1920 года (с перерывом), учёный работал в Томском университете и Томском технологическом университете.

В 1920 году Семенов вернулся в Петроград, получив приглашение от Абрама Иоффе, который занимался созданием Физико-технического рентгенологического института, а в 1922 году был назначен заместителем директора института.

Семенов создал теорию теплового взрыва газовых смесей, на основе которой разработал с сотрудниками учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов. Он открыл разветвленные цепные реакции и явление цепного воспламенения (взрыва), создал имеющую особое значение общую количественную теорию цепных реакций, показал их большую распространённость в химии и значение для практики.

Также ученый установил детальный химический механизм многих сложных цепных процессов, изучил кинетические свойства свободных атомов и радикалов, при помощи которых осуществляются элементарные стадии цепных процессов.

В 1931 году основал Институт химической физики Российской Академии наук, и был его бессменным директором до конца жизни. В 1990 году институт получил имя своего основателя.

Николай Николаевич подготовил много специалистов в области химической физики, химической кинетики, теории горения. Семенов - член ряда зарубежных академий, депутат Верховного Совета СССР 5—7 созывов, лауреат Государственной премии СССР, Нобелевской премии (1956), награжден 7 орденами Ленина, орденом Трудового Красного Знамени и медалями.

Умер Семенов Николай Николаевич 25 сентября 1986 года.