1917年僅21歲的謝苗諾夫以優異的成績畢業於彼得格勒大學數學力學系。他是蘇聯著名物理學家約菲的學生和助手。這段大學生活為他打下了良好的數學和物理基礎，也為他日後進壹步從事理論化學研究創造了條件，使他的知識結構優於普通化學家。
1920年至1930年，謝苗諾夫在約菲創辦的列寧格勒技術物理研究所工作，被任命為列寧格勒化學物理研究所所長。同時在列寧格勒工業學院兼職任教，從1928擔任該院教授。1929當選蘇聯科學院通訊院士，1932當選正式院士。1944年，蘇聯科學院化學物理研究所遷至莫斯科，任謝苗諾夫所長。與此同時，他搬到了莫斯科，成為了以羅蒙諾索夫命名的國立莫斯科大學的教授。
謝苗諾夫1947年加入蘇共，1961-1966年任蘇共中央候補委員，也是蘇聯最高蘇維埃第五、六、七屆代表大會代表。1964起，任蘇聯巴古什克地區委員會委員。1957-1963年，謝苗諾夫任蘇聯科學院化學系秘書，1963-1971年任化學系副秘書長。在1960-1963期間，他還是全蘇聯社會知識學會主席和蘇聯科學院主席團成員。
謝苗諾夫非常成功地把科研工作、教學工作、科學團體的組織工作和社會活動結合起來，使它們相互促進，共同發展。謝苗諾夫因其對科學的傑出貢獻獲得了許多獎項，許多外國科學院和科學組織都選舉他為院士或成員。他的專著《鏈式反應》和《論化學動力學的壹些問題和反應能力》被各國翻譯出版。這位蘇聯學者在全世界享有很高的聲譽。
1956年，瑞典學院和諾貝爾基金會授予謝苗諾夫和英國化學家欣切烏德諾貝爾化學獎，以表彰他們在化學反應動力學和反應過程研究方面的成就。謝苗諾夫是第三位獲得這壹最高國際科學獎的俄羅斯學者，也是蘇聯建國後第壹位獲得這壹獎項的科學家。
謝苗諾夫很早就研究化學動力學。從1916開始，他發表了很多這方面的學術論文，其中詳細闡述了原子和分子之間的碰撞。從此，化學反應動力學和化學反應過程的研究成為他科學活動的基礎和中心。
範霍夫1901首次獲得諾貝爾化學獎後，時隔五年，這門科學的最高獎頒給了研究化學反應動力學和化學反應過程的科學家，特別是謝苗諾夫和欣切烏德的科學貢獻，說明化學反應動力學和化學反應過程壹直是化學研究的重要課題。
謝苗諾夫的科研工作幾乎全部致力於化學反應過程和化學動力學的研究。他對鏈式反應過程進行了徹底而全面的研究。鏈式反應的發現標誌著理論化學的研究進入了壹個新階段。傳統化學只重視對反應物和產物的研究，而很少關註反應物如何轉化為產物以及轉化的復雜機理和過程。德國化學家博登斯在1913中提出了鏈式反應的概念來解釋氫和氯反應生成氯化氫的復雜過程。他認為在這個反應過程中會產生某種“中間產物”。然而，博登斯的“連鎖反應”和“中間體”理論仍然是壹種假設和推測。
1916年，德國物理化學家能斯特提出氯化氫形成的鏈式反應機理。他認為自由基作為“中間體”會在這個反應過程中形成。
Cl2—& gt；2Cl
cl+H2——& gt；鹽酸+氫
h+Cl2——& gt；鹽酸+氯
……
上述連鎖反應提出後，許多學者對其進行了進壹步的深入研究。比如在1922中，威加特通過實驗證明了鏈式反應的存在，在1923中，克拉馬斯將鏈式反應的機理應用到光化學反應的研究中。但在1927之前，鏈式反應在化學上並不具有普遍意義，只是用來解釋壹些個別反應。
1927之後，謝苗諾夫系統地研究了鏈式反應的機理，其中他試圖用數學的方法描述反應過程。謝苗諾夫認為，化學反應有壹個非常復雜的過程，在反應過程中有可能形成多種“中間產物”。在鏈式反應中，這種“中間產物”就是“自由基”，“自由基”的數量和活性決定了反應的方向、進程和形式。鏈式反應不僅有簡單的線性鏈式反應，還會形成復雜的“分支”。因此，謝苗還提出了“支鏈反應”的新概念。謝苗諾夫指出，鏈式反應具有普遍意義和廣泛的實用價值。理論上，謝苗諾夫廣泛研究了各種類型的連鎖反應，並提出了連鎖反應的壹般模型。他還試圖用這種反應機理來解釋新發現的化學振蕩現象。在應用上，謝苗諾夫將鏈式反應機理應用於燃燒與爆炸的研究，揭示了燃燒與爆炸的聯系與區別。指出燃燒是慢爆炸，爆炸是猛燃燒。他還指出了燃燒和爆炸的機理。