Представитель известного в России дворянского рода Н. Н. Семенов родился 7 февраля 1796 года в родовой усадьбе Рязанке близ с. Урусово Раненбургского уезда Рязанской губернии (ныне Чаплыгинского района Липецкой области). В возрасте 10 лет был определен во 2-й кадетский корпус, который из-за слабого здоровья вынужден был оставить через 5 лет, не закончив курса обучения. В 1815-1826 годах он проходил службу в лейб-гвардии Измайловского полка, откуда уволился по болезни в чине капитана.

В мае 1827 года Н. Н. Семенов получил должность директора Рязанской губернской мужской гимназии и одновременно директора народных училищ Рязанской губернии. На этом поприще он добился заметных успехов: в 1842 г. гимназия в числе трех других учебных заведений России получила право выпускать своих учеников в университет без дополнительных экзаменов.

В августе 1848 года Н. Н. Семенов был пожалован чином действительного тайного советника и назначен вице-губернатором Минской губернии. С апреля 1851 года по ноябрь 1857 года он служил вятским гражданским губернатором.

Выйдя в отставку, поселился с семьей в Санкт-Петербурге. Летнее время проводил в небольшом имении в сельце Никольское Раненбургского уезда. Николай Николаевич был примерным семьянином. Заботясь о собственной семье и престарелых родителях, он опекал осиротевших детей своего брата Петра. Младший его племянник Петр стал впоследствии знаменитым ученым, путешественником и государственным деятелем (П. П. Семенов-Тян-Шанский).

Н. Н. Семенов был награжден орденом Святой Анны 3-ей степени (1843), тремя бриллиантовыми перстнями, знаками за 15, 20 и 30 лет беспорочной службы.

Умер 17 января 1875 г. в Санкт-Петербурге, похоронен на кладбище Петербургского Новодевичьего монастыря.