В 1956 г. Н.Н. Семенову совместно с С.Н. Хиншелвудом была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования в области механизма химических реакций». На основании выдвинутой теории Семенов не только объяснил особенности протекания химических реакций, но и предсказал новые явления, обнаруженные впоследствии экспериментально. Так, теория разветвленных цепных реакций, пополненная им и А.Е. Шиловым (1963) положением об энергетическом цепном разветвлении, позволила управлять химическими процессами: ускорять их, замедлять, подавлять, обрывать на любой желаемой стадии.
В конце 1950-х – начале 1960-х гг. Семенов со свойственными ему энергией и энтузиазмом инициирует и поддерживает развитие ряда новых научных направлений в физике, химии и биологии, которые в перспективе имели большую практическую значимость. Решаются такие насущные проблемы, как ферментативный катализ, низкотемпературная полимеризация, фиксация азота из атмосферы, металлокомплексный катализ, начат поиск новых эффективных путей использования солнечной энергии. Успешно развиваются исследовательские работы в области молекулярной биологии: изучаются механизмы функционирования биологически активных систем, в частности биокатализаторов и биополимеров, исследуются кинетика и закономерности развития патологических процессов (лучевая болезнь, рак), решаются проблемы биоэнергетики и многое другое.
Н.Н. Семенов принимал непосредственное участие во внедрении результатов научно-исследовательских работ в промышленность. Его теоретические работы сыграли важнейшую роль в подборе оптимальных технологических условий осуществления таких промышленно важных процессов, как окисление, галоидирование, крекинг органических соединений, полимеризация. Примером успешного практического использования кинетических представлений, развитых Семеновым, могут служить: разработка новых эффективных реакторов полимеризации стирола; создание отечественного процесса получения полипропилена; создание процессов синтеза полиформальдегида; создание методов синтеза реакционноспособных олигомеров эфиракрилатов и развитие методов модификации резинотехнических изделий с применением олигоэфиракрилатов; создание мономерных и олигомерных присадок к маслам и топливам на основе «полимеров трения», которые обеспечивают противоизносные, противозадирные и антифрикционные свойства; широкое применение принципа форкамерно-факельной организации процесса сгорания в различных энергосиловых агрегатах в печах для безокислительного нагрева металла и многих других.
Н.Н. Семенов вел колоссальную научно-организационную работу, необходимую для внедрения результатов исследований в народное хозяйство страны. С целью значительного расширения Института химической физики в 1955 г. он выдвигает идею создания под Москвой вблизи г. Ногинска филиала (ныне – Отделения) института. За короткое время этот филиал стал мощным научным учреждением, вслед за которым в поселке Черноголовка возникает ряд новых институтов Академии наук, в результате чего образовался Ногинский научный центр АН СССР. Семенов назначается председателем Совета директоров этого центра(1962–1986). Из московской части института выделились Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Центр фотохимии РАН. В1957–1963 гг. Семенов – академик-секретарь Отделения химических наук, в1963–1971 гг. – вице-президент, с1971–1986 гг. – член Президиума АН СССР.
