Исследования Н.Н. Семенова относятся к учению о химических процессах.

	Разработал (1940) теорию теплового взрыва и горения газовых смесей.
	Открыл (1926-1928, совместно с Ю.Б.Харитоном и З.В.Вальтой) предельные явления, лимитирующие химический процесс ("критическое давление", "критический размер" реакционного сосуда, пределы добавок инертных газов).
	Открыл новый тип химических процессов - разветвленные цепные реакции, теорию которых впервые сформулировал в 1930-1934, показав их большую распространенность.
	Доказал экспериментально и обосновал теоретически все наиболее важные представления теории цепных реакций: о реакционной способности свободных атомов и радикалов, сохраняемости свободной валентности при взаимодействии радикалов с молекулами, о лавинообразном наращивании числа свободных радикалов, обрыве цепи на стенках и в объеме сосудов, о взаимодействии цепей.
	На основе теоретических представлений, развитых школой Семенова, впервые осуществлены многие процессы - избирательное окисление и галогенирование углеводородов, в частности окисление метана до формальдегида, направленная полимеризация, процессы сгорания в потоке, разложения взрывчатых веществ и т.д.