В 1929 году Семёнов был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, а в 1932 году стал академиком.

К этому времени Семёнов вёл глубокие исследования цепных реакций. Они представляют собой серию самоинициируемых стадий в химической реакции, которая, однажды начавшись, продолжается до тех пор, пока не будет пройдена последняя стадия. Несмотря на то что немецкий химик Макс Боденштейн впервые предположил возможность таких реакций ещё в 1913 году, теории, объясняющей стадии цепной реакции и показывающей её скорость, не существовало. Ключом же к цепной реакции служит начальная стадия образования свободного радикала — атома или группы атомов, обладающих свободным (неспаренным) электроном и вследствие этого чрезвычайно химически активных. Однажды образовавшись, он взаимодействует с молекулой таким образом, что в качестве одного из продуктов реакции образуется новый свободный радикал. Новообразованный свободный радикал может затем взаимодействовать с другой молекулой, и реакция продолжается до тех пор, пока что-либо не помешает свободным радикалам образовывать себе подобные, т. е. пока не произойдёт обрыв цепи.

Особенно важной цепной реакцией является реакция разветвлённой цепи, открытая в 1923 году физиками Г. А. Крамерсом и И. А. Кристиансеном. В этой реакции свободные радикалы не только регенерируют активные центры, но и активно множатся, создавая новые цепи и заставляя реакцию идти всё быстрее и быстрее. Фактический ход реакции зависит от ряда внешних ограничителей, например, таких как размеры сосуда, в котором она происходит. Если число свободных радикалов быстро растёт, то реакция может привести к взрыву. В 1926 году два студента Семёнова впервые наблюдали это явление, изучая окисление паров фосфора водяными парами. Эта реакция шла не так, как ей следовало идти в соответствии с теориями химической кинетики того времени. Семёнов увидел причину этого несоответствия в том, что они имели дело с результатом разветвлённой цепной реакции. Но такое объяснение было отвергнуто Максом Боденштейном, в то время признанным авторитетом по химической кинетике. Ещё два года продолжалось интенсивное изучение этого явления Семёновым и Сирилом Н. Хиншелвудом, который проводил свои исследования в Англии независимо от Семёнова, и по прошествии этого срока стало очевидно, что наш учёный был прав.

В 1934 году Семёнов опубликовал монографию «Химическая кинетика и цепные реакции», в которой доказал, что многие химические реакции, включая реакцию полимеризации, осуществляются с помощью механизма цепной или разветвлённой цепной реакции. В последующие десятилетия Семёнов и другие учёные, признавшие его теорию, продолжали работать над прояснением деталей теории цепной реакции, анализируя относительные опытные данные, многие из которых были собраны его студентами и сотрудниками. Позднее, в 1954 году, была опубликована его книга «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности», в которой учёный обобщил результаты открытий, сделанных им за годы работы над своей теорией.

Служба у Колчака в свете последующих сталинских репрессий, видимо, часто держала Николая Николаевича в напряжении. Он не знал, что в 1937 году в Ленинграде было сфабриковано «университетское» дело о якобы существовавшей «фашистско-террористической организации». В эту организацию вместе с известными физиками (В. А. Фок, Л. Д. Ландау и др.) должен был войти и «заговорщик» Н.Н Семёнов, но, к счастью, ареста не последовало.

В годы войны Семёнов, как и многие советские известные учёные, эвакуировался в Казань. Здесь он работает над задачами, связанными с вопросами горения и взрыва. В 1943 году учёный переезжает в Москву, куда, согласно постановления правительства, был переведён Институт химической физики. Институт Семёнова принял активное участие в зарождающемся советском атомном проекте.

В конце сороковых годов Николай Николаевич подвергся отвратительной травле, когда группа негодяев от науки обвинила его в отсутствии патриотизма, «низкопоклонстве перед иностранщиной», даже в плагиате! Семёнова «спасла» от участи Капицы причастность к работам по урану — воистину сработал «урановый щит».

В 1956 году Семёнову совместно с Хиншелвудом была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования в области механизма химических реакций». В нобелевской лекции Семёнов сделал обзор своих работ над цепными реакциями: «Теория цепной реакции открывает возможность ближе подойти к решению главной проблемы теоретической химии — связи между реакционной способностью и структурой частиц, вступающих в реакцию… Вряд ли можно в какой бы то ни было степени обогатить химическую технологию или даже добиться решающего успеха в биологии без этих знаний… Необходимо соединить усилия образованных людей всех стран и решить эту наиболее важную проблему для того чтобы раскрыть тайны химических и биологических процессов на благо мирного развития и благоденствия человечества».

После того как в 1944 году Семёнов был назначен профессором МГУ он продолжал публиковать свои работы по различным проблемам вплоть до восьмидесятых годов. Его объёмная работа по окислению паров фосфора не потеряла своей актуальности и сегодня, спустя много лет со дня её создания. Во время Второй мировой войны Институт химической физики переехал в Москву. Многие направления проводимых там исследований непосредственно связаны с первоначальными научными интересами Семёнова, хотя теперь они осуществлялись с помощью масс-спектрометрии и квантовой механики.

Даже в последние годы жизни Семёнов, по словам его коллег, оставался энтузиастом науки, творческой личностью, которую отличала бьющая через край энергия. Он был высок и худощав, любил охотиться и работать в саду, увлекался архитектурой.

Один из внуков А. Ю. Семёнов, доктор биологических наук, вспоминает:

«Деда Коля часто работал и в выходные дни, так что вся семья вместе собиралась только на обед или к вечеру за большим вращающимся столом.

Дед любил компанию и весёлое застолье. Часто на выходные или на праздники собирались многочисленные друзья, родственники и ученики — сотрудники созданного им Института химической физики. Не обладая хорошим слухом, дед, тем не менее, любил петь. Мне запомнилось, как он поёт песню „Эх, Самара-городок…“

Дед часто смеялся — негромко, но очень заразительно. Ещё чаще он щурился и улыбался в усы».

Умер Семёнов 25 сентября 1986 года в возрасте девяноста лет.

«Великий итальянский физик Энрико Ферми, — писал Бруно Понтекорво, — занимает особое место среди современных учёных: в наше время, когда узкая специализация в научных исследованиях стала типичной, трудно указать столь же универсального физика, которым был Ферми. Можно даже сказать, что появление на учёной арене XX века человека, который внёс такой громадный вклад в развитие теоретической физики, и экспериментальной физики, и астрономии, и технической физики, — явление скорее уникальное, чем редкое».

Энрико Ферми родился 29 сентября 1901 года в Риме. Он был младшим из трёх детей железнодорожного служащего Альберто Ферми и урождённой Иды де Гаттис, учительницы. Ещё в детстве Энрико обнаружил большие способности к математике и физике. Его выдающиеся познания в этих науках, приобретённые в основном в результате самообразования, позволили ему получить в 1918 году стипендию и поступить в Высшую нормальную школу при Пизанском университете. Затем, по протекции доцента Физического института Римского университета сенатора Корбино, Энрико получил временную должность преподавателя математики для химиков в Римском университете. В 1923 году он получает командировку в Германию, в Гёттинген, к Максу Борну. Ферми чувствует себя не очень уверенно, и лишь большая моральная поддержка Эренфеста, у которого он был в Лейдене с сентября по декабрь 1924 года, помогла ему поверить в своё призвание физика. По возвращении в Италию Ферми с января 1925 года до осени 1926 года работает во Флорентийском университете. Здесь он получает свою первую учёную степень «свободного доцента» и, что самое главное, создаёт свою знаменитую работу по квантовой статистике. В декабре 1926 года он занял должность профессора вновь учреждённой кафедры теоретической физики в Римском университете. Здесь он организовал коллектив молодых физиков: Разетти, Амальди, Сегре, Понтекорво и других, составивших итальянскую школу современной физики.