Ավարտել է Պետրոգրսդի համալսարանը (1917 թ.)։ Աշխատել է Լենինգրադի ֆիզիկատեխնիկական ինստիտուտում (1920-1931 թթ.) և Լենինգրադի պոլիտեխնիկական ինստիտում (պրոֆեսոր 1928-1931 թթ.)։ 1931 թ.-ից ԽԱՀՄ ԳԱ քիմ․ ֆիզիկայի ինստ-ի տնօրենն է, 1944 թվականից՝ Մոսկվայի համալսարանի պրոֆ․։ Եղել է ԱՀՄ ԳԱ փոխպրեզիդենտը (1963-1971 թթ.), ԽՍՀՄ ԳԱ քիմիական բաժանմունքի ակադեմիկոս քարտուղարը (1957-1963 թթ.) և «Գիտելիք» համամիութենական ընկերության նախագահը (1960-1963 թթ.)։ 1961-1966 թթ.՝ ԱՄԿԿ Կենտկոմի անդամության թեկնածու։ Սեմյոնովը ստեղծել է գազային խառնուրդների ջերմային պայթյունի տեսությունը և մշակել բոցի տարածման, դետոնացման, պայթուցիկ նյութերի և վառոդների այրման ուսմունքը։ Հայտնաբերել է ճյուղավորված շղթայական ռեակցիաները և շղթայական բոցավառման (պայթյունի) երևույթը։ Ստեղծել է շղթայական ռեակցիաների ընդհանուր քանակական տեսությունը (չճյուղավորված, ճյուղավորված և «այլասերված» ճյուղավորված շղթայական ռեակցիաների համար)։
Սեմյոնովն աշխատակիցների հետ հայտնաբերել է կատալիզի նոր տեսակ՝ իոնական տարասեռ (հետերոգեն) կատալիզը բազմամոլեկուլային ադսորբցիոն շերտերում և բարակ թաղանթներում, զարգացրել է տարասեռ կատալիզում ազատ արժեքականությունների ունեցած դերի մասին պատկերացումները։ Ավելի ուշ ուսումնասիրել է էներգիական ճյուղավորումներով շղթայական ռեակցիաները (որոնք շղթայական ռեակցիաների նախկինում անհայտ տեսակ էին) և մետաղակոմպլեքսային կատալիզատորների մասնակցությամբ ընթացող համասեռ (հոմոգեն) կատալիզի կինետիկան և մեխանիզմը։ Սեմյոնովը արտասահմանյան մի շարք ակադեմիաների անդամ է։ ԽՍՀՄ V—VII գումարումների Գերագույն սովետի դեպուտատ։ Պետական (1941 թ., 1949 թ.), լենինյան (1976 թ.) և նոբելյան (1956 թ.) մրցանակներ։ Պարգևատրվել է Լենինի 7 և Աշխատանքային կարմիր դրոշի շքանշաններով։
Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից (հ․ 10, էջ 282)։