Công trình nổi bật của Semyonov về cơ chế biến đổi hóa học bao gồm một phân tích toàn diện việc áp dụng lý thuyết phản ứng dây chuyền để biến đổi các phản ứng (1934-1954) và – quan trọng hơn – vào các quá trình đốt cháy (combustion). Ông đề xuất một lý thuyết phân nhánh thoái hóa, dẫn tới một sự hiểu biết tốt hơn các hiện tượng liên kết với các giai đoạn cảm ứng của các quá trình oxy hóa.

Semyonov đã viết 2 quyển sách quan trọng mô tả những nét chính công trình của ông: Chemical Kinetics and Chain Reactions xuất bản năm 1934 với ấn bản bằng tiếng Anh năm 1935. Đây là quyển sách đầu tiên ở Liên Xô nhằm triển khai một lý thuyết chi tiết về phản ứng dây chuyền phân nhánh và không phân nhánh trong hóa học và quyển Some Problems of Chemical Kinetics and Reactivity, xuất bản lần đầu vào năm 1954, được sửa chữa năm 1958; cũng có các ấn bản xuất bản ở Anh, Hoa Kỳ, Đức, và Trung quốc.