Советский физик и физикохимик, академик АН СССР. Родился в Саратове.Окончил Петроградский университет (1917).В 1918-1920 работал в Томском университете,1920-1931-в Петроградском (Ленинградском)физико-техническом институте, одновременно с 1928 профессор Ленинградского политехнического института.С 1931 директор хим.физики АН СССР, одновременно с 1944 проф. Московского университета. В 1957—1971 акад.-секретарь Отд. хим. наук АН СССР, в 1963—1971 вице-президент АН СССР.
Исследования относятся к учению о хим. процессах. В первых работах (1916—1925) получил данные о явлениях, вызываемых прохождением электрического тока через газы, об ионизации паров металлов и солей под действием электронного удара и о механизме пробоя диэлектриков. Разработал основы тепловой теории пробоя диэлектриков, исходные положения которой были использованы им при создании (1940) теории теплового взрыва и горения газовых смесей. На основе этой теории вместе с учениками развил учение о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ и порохов. Его работы по ионизации паров металлов и солей легли в основу соврем, представлений об элементарном строении и динамике хим. превращения молекул. Изучая окисл. паров фосфора, в сотрудничестве с Ю. Б. Харитоном и 3. В. Вальтой открыл (1926—1928) предельные явления, лимитирующие хим. процесс,— «критическое давление», «критический размер» реакционного сосуда и установил пределы добавок инертных газов к реакционным смесям, ниже которых реакция не происходит, а выше которых идет с огромной скоростью. Те же явления обнаружил (1927—1928) в реакциях окисл. водорода, оксида углерода (II) и др. веществ. Открыл (1927) новый тип хим. процессов — разветвленные цепные реакции, теорию которых впервые сформулировал в 1930— 1934, показав их большую распространенность. Доказал экспериментально и обосновал теоретически все наиболее важные представления теории цепных реакций: о реакционной способности свободных атомов и радикалов, малой энергии активации реакций, сохраняемости свободной валентности при взаимодействии радикалов с молекулами, о лавинообразном наращивании числа свободных валентностей, об обрыве цепи на стенках и в объеме сосудов, о возможности вырожденных разветвлений, о взаимодействии цепей. Установил механизм сложных цепных реакций, изучил свойства свободных атомов и радикалов, осуществляющих их элементарные стадии. На основании выдвинутой теории не только объяснил особенности протекания хим. реакций, но и предсказал новые явления, обнаруженные впоследствии экспериментально. Теория разветвленных цепных реакций, пополненная им и А. Е. Шиловым в 1963 положением об энергетическом цепном разветвлении, позволила управлять хим. процессами: ускорять их, замедлять, подавлять вовсе, обрывать на любой желаемой стадии (теломеризация). Осуществил (1950—1960) большой цикл работ в обл. как гомогенного, так и гетерогенного катализа, в результате чего открыл новый тип катализа — ионно-гетерогенный. Совм. с В. В. Воеводским и Ф. Ф. Волькенштейном развил (1955) цепную теорию гетерогенного катализа. Школой Семенова выдвинуты статистическая теория каталитической активности, теория топохимических процессов и кристаллизации. На основе теоретических представлений, развитых школой Семенова, впервые осуществлены многие процессы — избирательное окисл. и галондирование углеводородов, в частности окисл. метана до формальдегида, строго направленная полимеризация, процессы сгорания в потоке, разложения взрывчатых веществ и т. д. Главный редактор журн. «Химическая физика» (с 1981). Председатель правления Всес. общества «Знание» (1960—1963). Член. мл. акад. наук и научных обществ.
Дважды Герой Социалистического Труда (1966, 1976). Ленинская премия (1976), Государственная. премии СССР (1941, 1949). Золотая медаль им. М. В. Ломоносова АН СССР (1970). Нобелевская премия (1956, совм. с С. Н. Хиншелвудом).