Советский зоолог, академик АН СССР (с 1920), академик АН УССР (с 1925). Сын Н. А. Северцова. Родился в Москве. Окончил Московский университет (1889). Профессор Юрьевского (1898 - 1902), Киевского (1902 - 1911), Московского (1911 - 1930) университетов. В 1930 организовал и возглавил Лабораторию эволюционной морфологии и экологии животных (с 1935 - институт эволюционной морфологии животных) АН СССР.

Основные научные исследования посвящены эволюционной морфологии, установлению закономерностей эволюционного процесса, проблемам онтогенеза. Изучал метамерию головы и происхождение конечностей позвоночных животных, эволюцию низших позвоночных. Выдвинул общепризнанную теорию происхождения пятипалой конечности и парных плавников. Автор учения о типах филогенетических изменений органов и функций, о филогенетических корреляциях. Обосновал новые принципы эволюции. Разработал (1910) теорию филэмбриогенеза, в которой выдвинул положение о возможности появления новых признаков на любой стадии онтогенеза. Установил четыре основных направления биологического прогресса: ароморфоз, идиоадаптация, ценогенез, общая дегенерация. Дал подробную классификацию способов филогенетического изменения органов. Доказал, что единственной причиной филогенетических изменений являются изменения среды обитания . Создал отечественную школу морфологов.

Его имя присвоено (1936) Институту эволюционной морфологии животных АН СССР.