Родился 3 февраля 1906 года в деревне Ерково (Ярково) (Коломенский район, Московская область, Россия). Русский.
В РККА с 23 октября 1928 года, был призван Коломенским районным военкоматом Московской области.
Окончил Одесскую лётную школу в 1932 году.
В звании старшего лейтенанта командовал звеном в 56-й истребительной авиационной бригаде Киевского военного округа.
Участвовал в национально-освободительной войне в Испании с 26 марта по 3 сентября 1938 года в качестве командира звена, затем командира эскадрильи истребителей И-16.
Летал в ночной эскадрилье.
Всего в Испании произвел около 90 боевых вылетов, участвовал в 18 воздушных боях, в составе звена сбил 7 самолетов.
После возвращения из Испании продолжал служить в Военно-воздушных силах.
Участвовал в Великой Отечественной войне с 22 июня 1941 года.
Воевал на Юго-Западном фронте, в звании майора был заместителем командира 17-го истребительного авиационного полка.
К концу октября 1941 года произвел 25 боевых вылетов, лично сбил 2 самолета.
С февраля по май 1942 года был ВРИО командира 17-го истребительного авиационного полка.
В 1943 году ему было присвоено воинское звание «подполковник».
С февраля 1943 года был командиром 165-го истребительного авиационного полка. Воевал на Центральном, 1-м Белорусском фронте.
К началу февраля 1944 года произвел всего 90 боевых вылетов, участвовал в 12 воздушных боях, сбил лично 2 Ме-109 и в составе группы 1 Хш-126.
К началу сентября 1944 года произвел всего 105 боевых вылетов, участвовал в 19 воздушных боях, сбил 4 самолета.
«…Однажды, это было 19 сентября 1944 года, наш командир полка подполковник Семенов получил приказ на выполнение специального задания, которое сводилось к следующему. Восемь лучших летчиков должны вылететь на дальний аэродром, встретить там два военно-транспортных самолета и сопровождать их до своего аэродрома. В задании было указано точное время встречи.
Командир вместе со штурманом полка капитаном Любициным рассчитали все действия группы буквально по минутам. Восьмерку повел за собой подполковник Семенов с ведомым лейтенантом Гордеевым. Другими ведущими пар были Любицын, командиры эскадрилий капитаны Токарев и Отлесный. Ведомыми у них были Соловьев, Иванов и Анашкин.
На аэродром машины произвели посадку в точно рассчитанное время. Только успели заправить самолеты бензином, как на горизонте появились военно-транспортные самолеты в сопровождении «яков». Восьмерка наших летчиков быстро поднялась в воздух и сразу пристроилась для сопровождения гостей. Все самолеты произвели посадку в Кшевице, у нас.
К военно-транспортным самолетам подъехало сразу несколько машин. Оказалось, прилетели маршал Г. К. Жуков и Главный маршал авиации А. А. Новиков с группой генералов и офицеров, а встречал их маршал К. К. Рокоссовский. Все сели в машины и быстро куда-то уехали. На этом задание для наших летчиков не закончилось. На второй день, в определенный час был назначен вылет военно-транспортных самолетов и наших истребителей для сопровождения гостей.
Наша восьмерка сидела в кабинах самолетов по первой готовности. К транспортным самолетам подъехало несколько автомобилей. Высокое военное начальство быстро пересело из автомобилей в самолеты, и сразу же начался взлет.
Транспортные самолеты улетели куда-то на юг в сопровождении наших истребителей. Задание было выполнено…»
(Из книги П. И. Бесчастнова «В огненном небе»)
Участвовал в освобождении Польши, в боях над Германией, в освобождении Чехословакии.
Летал на истребителях И-153, И-16, ЛаГГ-3, Ла-5.
Окончил войну в звании подполковника, командиром 165-го истребительного авиационного полка.
Всего за время Великой Отечественной войны произвел 124 боевых вылета, участвовал в 19 воздушных боях, сбил лично 3 самолета и в составе группы 1 самолет противника.
После окончания войны продолжал службу в авиации.
5 августа (15 ноября) 1947 года погиб в авиационной катастрофе.
Список известных воздушных побед Н. В. Семенова:
00.00.1938 1/3 Фиат-32 Испания в составе звена
00.00.1938 1/3 Фиат-32 Испания в составе звена
00.00.1938 1/3 Фиат-32 Испания в составе звена
00.00.1938 1/3 Фиат-32 Испания в составе звена
00.00.1938 1/3 Ме-109 Испания в составе звена
00.00.1938 1/3 Ме-109 Испания в составе звена
00.00.1938 1/3 бомбардировщик Испания в составе звена
07.09.1941 1 Ме-109 Кременчуг лично
07.09.1941 1 Ме-109 Кременчуг лично
26.09.1943 1/гр. Хш-126 Центральный фронт в составе группы
22.02.1944 1 Ю-87 Белорусский фронт лично
Награжден орденом Ленина (22.02.1939), тремя орденами Красного Знамени (29.12.1941, 18.02.1944, 10.05.1945), орденом Суворова 3-й степени (03.08.1943), орденом Отечественной войны 1-й степени (08.09.1944), орденом Красной Звезды (03.11.1944), медалями «За освобождение Варшавы», «За взятие Берлина», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941–1945 гг.».