В 1934 г. он опубликовал монографию «Цепные реакции», в которой доказал, что многие химические реакции осуществляются с помощью механизма цепной или разветвленной цепной реакции. Монография закрепила за ним и руководимым им институтом роль мирового лидера в области химической кинетики.
Н.Н. Семенов как создатель теорий цепных разветвленных реакций, горения и взрывов, не мог остаться в стороне от практических работ по использованию атомной энергии в мирных целях. В конце 1945 г. он обратился в правительство с предложением об активном привлечении его лично и руководимого им института к созданию атомного оружия, при этом он формулирует целый ряд задач, которые институт должен был решить теоретически и экспериментально. Постановлением Совета Министров СССР от 9 апреля 1946 г. Институту химической физики было поручено проведение расчетов, связанных с конструированием атомных бомб, измерение необходимых констант и подготовка полигона и оборудования для оценки поражающего действия ядерного оружия. Под руководством Семенова институт выполнил все задания и внес весомый вклад в создание нашего ядерного оружия.
Идеи Семенова о значении химической кинетики для установления количественной связи между строением реагирующих веществ и их реакционной способностью изложены в монографии «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности» (1954, 1958). В ней он обобщил большой материал по реакционной способности радикалов, уделив специальное внимание конкуренции между цепными, молекулярными и ионными реакциями. Созданная и развитая им теория цепных реакций (неразветвленных, разветвленных и «вырождено» разветвленных) количественно описывает все основные закономерности этого большого важного класса химических процессов. Теория цепных реакций открыла возможность решить главную проблему теоретической химии – связь между реакционной способностью и структурой частиц, вступающих в реакцию.
В многочисленных работах Семенова и его сотрудников экспериментально и теоретически обоснованы важнейшие представления цепной теории: обрыв реакционных цепей на стенке и в объеме сосуда, лавинообразное наращивание числа свободных валентностей, возможность вырожденных разветвлений, положительное и отрицательное взаимодействия цепей, сохраняемость свободной валентности при взаимодействии радикалов с молекулами; установлен детальный механизм ряда сложных цепных процессов, изучены свойства свободных атомов и радикалов, при помощи которых осуществляются элементарные стадии этих процессов.
В 1950-е гг. Н.Н. Семенов осуществил большой цикл работ в области как гомогенного, так и гетерогенного катализа, в результате чего был открыт новый тип катализа – ионно-гетерогенный. Совместно с И.И. Воеводским и Ф.Ф. Волькенштейном он развил цепную теорию гетерогенного катализа (1955). Школой Семенова разработаны статистическая теория каталитической активности, теория топохимических процессов и кристаллизации.
