Наибольшую известность имеют работы Семёнова по теории цепных реакций, открытие им в 1928 году разветвленных цепных реакций, характеризуемых экспоненциальным ускорением и последующим воспламенением. Тогда же (конец 1920-х — начало 1930-х годов) он показал радикальный механизм цепного процесса, обосновал все основные его черты (малая величина энергии активации, сохранение и увеличение числа свободных валентностей, роль стенок сосуда и примесей в обрыве цепи и т. д.) Это открыло широкие перспективы для управления химическими процессами. В 1963 году совместно с А. Е. Шиловым установил роль энергетических процессов (за счет передачи энергии от высокоэнергетичных продуктов начальным молекулам) в развитии цепных реакций при высоких температурах. За разработку теории цепных реакций в 1956 году Семёнов был удостоен Нобелевской премии по химии (вместе с Сирилом Хиншелвудом).
Н. Н. Семёнов — автор научного открытия «Явление энергетического разветвления цепей в химических реакциях», которое занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 172 с приоритетом от 1962 г.[15]
Семёнов усовершенствовал метод квазистационарных концентраций Боденштейна, который долгое время являлся практически единственной основой для проведения практических кинетических расчетов. Если в постановке Боденштейна нулю приравнивались скорости изменения количеств всех промежуточных частиц, то Семёнов указал, что это правило применимо только для частиц с высокой реакционной способностью (радикалы, ионы). Метод Боденштейна-Семенова является первой попыткой разделения временных масштабов в математических моделях химической кинетики.
Ряд работ Семёнова посвящён исследованию каталитических процессов, он открыл ионно-гетерогенный тип катализа, построил теорию гетерогенного катализа (1955 год, совместно с В. В. Воеводским и Ф. Ф. Волькенштейном). Результаты Семёнова, достигнутые в самых разных направлениях, нашли широкое применение на практике.