Наибольшую известность имеют работы Семёнова по теории цепных реакций, открытие им в 1928 году разветвленных цепных реакций, характеризуемых экспоненциальным ускорением и последующим воспламенением. Тогда же (конец 1920-х — начало 1930-х годов) он показал радикальный механизм цепного процесса, обосновал все основные его черты (малая величина энергии активации, сохранение и увеличение числа свободных валентностей, роль стенок сосуда и примесей в обрыве цепи и т. д.) Это открыло широкие перспективы для управления химическими процессами. В 1963 году совместно с А. Е. Шиловым установил роль энергетических процессов (за счет передачи энергии от высокоэнергетичных продуктов начальным молекулам) в развитии цепных реакций при высоких температурах. За разработку теории цепных реакций в 1956 году Семёнов был удостоен Нобелевской премии по химии (вместе с Сирилом Хиншелвудом).
За что в 1956 году Семёнов получил Нобелевскую премию по химии?