Физик, один из основоположников химической физики. Академик АН СССР (1932). Создал теорию теплового взрыва газовых смесей, на основе которой разработал учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов. Разработал теорию цепных химических реакций, которая легла в основу создания полимеров — веществ с заранее заданными свойствами. Открыл новый тип катализа — ионно-гетерогенный. Все открытия Н.Н. Семенова имели выдающееся мировое значение для развития науки. Нобелевская премия (1956, совместно с С. Хиншелвудом). Золотая медаль им. Ломоносова АН СССР (1970). Ленинская премия (1976).
Скончался Н.Н. Семёнов 25 сентября 1986 года, похоронен в Москве, на Новодевичьем кладбище (10 уч.). В 2021 г. рядом с ним похоронили жену
Щербакову-Семёнову Л.Г.