Schüler von Carl Ritter, Heinrich Wilhelm Dove und Gustav Rose. Semjonow begann 1856/58 die russische Hochasienforschung und bereiste die Dsungarei, den westlichen Altai und drang als erster in das Tien-schan-Gebirge ein, wonach er den Beinamen erhielt. Dabei entdeckte er den Oberlauf des in den Aral-See fließenden Syr-Darja, die Gebirgsgruppe des Tengri-Tag und den Chan-Tengri. Organisierte zahlreiche weitere Expeditionen nach Russisch-Asien, 1888 bereiste er Russisch-Turkestan.

Von 1864 bis 1880 war Semjonow Leiter des russischen statistischen Komitees und veranlaßte 1897 die erste russische Volkszählung.

Seine Reisen beschrieb er in "Petermanns Mitteilungen" und gab das "Geographisch-statistische Lexikon des Russischen Reiches" heraus (1863-85, 5 Bde.). Sonstige Hauptwerke: Übersetzung von Carl Ritters "Asien" (1894 elf Bde.) und "Rossija", eine geographische Beschreibung Rußlands (1904-14 10 Bde.).