Семенов всегда уделял большое внимание подготовке научных кадров. Много лет он отдал обучению и воспитанию студентов. С 1922 г. он – сначала преподаватель, а потом профессор Ленинградского политехнического института; в 1944 г. он создал кафедру химической кинетики на химическом факультете МГУ, которую возглавлял более 40 лет; параллельно, как один из основателей Московского физико-технического института, организовал в нем специальный факультет, предназначенный для подготовки специалистов по химической физике; в 1951–1959 гг. – заведующий кафедрой Московского инженерно-физического института.
Первые работы Семенова относятся к области молекулярной физики и электронных явлений. Им были изучены: явления конденсации паров на твердых поверхностях; ионизация паров солей под действием электронного удара и другие. Результаты исследований процессов диссоциации и рекомбинации, потенциала ионизации металлов и паров солей собраны в книге «Химия электрона» (1927), которую он написал в соавторстве с двумя своими студентами. Его работы по ионизации паров металлов и солей легли в основу современных представлений об элементарном строении и динамике химических превращений молекул.
Другая сфера интересов Н.Н. Семенова – изучение электрических полей и явлений,связанных с прохождением электрического тока через газы и твердые вещества. В 1920-х гг. Семеновым в сотрудничестве с А. Вальтером был открыт механизм электрического теплового пробоя диэлектриков и создана его теория. Семенов показал, что при подведении к диэлектрику достаточно большой разности потенциалов и возникновении тока теплоотвод во внешнюю среду не в состоянии компенсировать теплоприход, начинается прогрессивный разогрев, диэлектрик расплавляется и становится проводником.
Эти представления были строго математически сформулированы, подтверждены экспериментально и позволили вычислить пробивные потенциалы из данных по теплопроводности и электропроводности веществ. Исходные положения этой теории были использованы Семеновым при создании теории теплового взрыва газовых смесей(1927–1928). Согласно этой теории тепло, выделяющееся в процессе химической реакции, при определенных условиях не успевает отводиться из зоны реакции и вызывает повышение температуры реагирующих веществ, ускоряя реакцию и приводя к выделению еще большего количества тепла. Если нарастание количества тепла идет достаточно быстро, то реакция может завершиться самопроизвольным взрывом. Семенов установил, что химический взрыв бывает двух типов: тепловой и цепной. Это подтвердилось и в ядерных взрывах. Термоядерный взрыв имеет тепловой, а атомный – цепной характер.
