Профессор, выдающийся советский учёный в области теоретической физики и техники ускорителей различных типов. Лауреат Премии Президиума АН СССР (1957), Ленинской премии (1959) и Государственной премии СССР (1981) в области импульсных электронных ускорителей. Удостоен почётного звания «Заслуженный деятель науки и техники РСФСР» (1991). Учёный секретарь комиссии по физике высоких энергий Международного Союза чистой и прикладной физики (IUPAP (англ.)) (1964—1971 гг.). Член комиссии по динамике частиц Международной комиссии по ускорителям будущего (1987—1990). Заведующий лабораторией (с 1968 г.) «Проблем новых ускорителей» Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН). С 1961 г. — заведующий кафедрой «Ядерных взаимодействий и ускорителей» физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Основные научные достижения Н.Н. Семенова базируются на стыке двух наук — физики и химии. Однако со второй половины 1920-х гг. XX в. основное место в его деятельности занимали исследования в области цепных реакций. Реакции такого типа протекают весьма своеобразно. В начале реакции образуется небольшое количество активных атомов (свободных радикалов). Взаимодействуя с молекулами исходного вещества, они вызывают цепочку повторяющихся реакций. Иногда общее число реакций достигает 1 млн.