En 1931, il est devenu directeur de l’Institut de physique chimique de l’Académie des sciences de l’URSS (qui a déménagé à Moscou en 1943) ; à partir de 1944, il est professeur à l’Université d’État de Moscou. Les travaux remarquables de Semenov sur le mécanisme de la transformation chimique comprennent une analyse exhaustive de l’application de la théorie des chaînes à des réactions variées et, plus particulièrement, aux processus de combustion. 
Il devient membre correspondant de l’Académie des sciences de l’URSS en 1929 et académicien en 1932 : il reçoit cinq Ordres de Lénine et l’Ordre du Drapeau rouge du travail. Il est membre de la Chemical Society (Londres), membre étranger de la Royal Society et membre étranger des académies des sciences américaine, indienne, allemande et hongroise. Il est également titulaire de doctorats honorifiques des universités d’Oxford et de Bruxelles et, depuis 1960, il est président de l’All-Union Society for Propagation of Political and Scientific Knowledge. Il a épousé Natalya Nikolaevna Semenova ; ils ont un fils et une fille.
Semenov a fait ses études à l’Université de Saint-Pétersbourg où il a obtenu son diplôme en 1917. Au cours des années 1920, il a travaillé sur les mécanismes de réaction en chaîne et sur la théorie des explosions thermiques. Pour ce travail, il a reçu le prix Nobel en 1956 conjointement avec Hinshelwood.
Chimiste physique russe qui a partagé le prix Nobel de chimie de 1956 avec Sir Cyril Hinshelwood pour « leurs recherches sur le mécanisme des réactions chimiques ». Il a été le premier scientifique soviétique à recevoir un prix Nobel. En 1926, avec ses collègues, Semyonov découvrit pour la première fois les réactions à chaîne ramifiée dans l’oxydation du phosphore. Alors que son intention pour l’enquête a commencé comme une étude de la puissance lumineuse de cette réaction, il a été surpris de découvrir qu’il existe une pression critique d’oxygène gazeux en dessous de laquelle aucune activité n’aurait lieu. Les explications théoriques qu’il a développées sur la manière dont un processus peut être initié par un mécanisme en chaîne sont également applicables à un large éventail de réactions chimiques, notamment l’oxydation, le craquage, l’halogénation, la polymérisation et les explosions. Le mécanisme de la chaîne crée une avalanche d’interactions.
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