Karya utama Semyonov pada mekanisme transformasi kimiawi termasuk analisis mendalam atas penerapan teori berantai pada sejumlah reaksi (1934–1954) dan secara lebih signifikan pada proses pembakaran. Ia mengusulkan teori percabangan degeneratif, yang menuju pemahaman fenomena terkait masa induksi proses oksidasi.
Salah satu karyanya Beberapa Masalah Kinetika Kimia dan Reaktivitas, diterbitkan pada tahun 1954 dan diterjemahkan ke berbagai bahasa.
