Училищеның етенсе класында (1912—1913xa0йй.) уның физика уҡытыусыһы Ҡазан университетының Физика-математика факультетын таммалаған Владимир Иванович Кармилов була. Ул йәш Семеновтың ғүмерен фәнгә бағышларға ынтылыуын хуплай һәм артабанғы йылдарҙа ла уның менән дуҫ булып ҡала. 1913 йылдың июлендә Семенов Петроград университетының физика-математика факультетына уҡырға инә. Атаһы, элекке офицер, улын хәрби карьераһын һайлар тип өмөтләнә, һәм Николайҙың университетҡа инеүе ғаиләне икегә бүлә, атай менән ул араһында бер нисә йылға һуҙылған аңлашмаусылыҡҡа килтерә. Семенов икенсе курстан уҡ А.xa0Ф.xa0Иоффе етәкселегендә фән менән шөғөлләнә башлай, газ разрядтарында электрон бәрелеш тәьҫирендә атомдар һәм молекулаларҙың ионлашыуы буйынса бер нисә эш башҡара. Университетты 1917 йылда тамамлай, беренсе дәрәжә дипломға эйә була һәм университетта профессор стипендиаты (аспирантура аналогы) итеп ҡалдырыла.