Родился 16 февраля 1911 года в с. Краснослободское (ныне Иноковка) Кирсановского уезда Тамбовской губернии в семье железнодорожного рабочего Семёна Гавриловича Семёнова и Лидии Павловны, урождённой Шехониной. У него было два брата и сестра.

В конце 1920-х годов, после смерти отца от брюшного тифа, семья переехала в Москву. По окончании школы работал учителем.

В 1931—1937 гг. — студент Московского института философии, литературы и истории (МИФЛИ)^[3]. Окончив вуз, уехал из Москвы, в 1937-39 годы преподавал марксизм в Ростовском педагогическом институте, затем работал помощником директора по научной части.

Член ВКП(б) — КПСС с 1938 года.

По воспоминаниям дочери, переводом на дипломатическую работу Семёнов был обязан В. М. Молотову. Летом 1939 года в Москве на совещании заведующих кафедрами марксизма-ленинизма Семёнов делал доклад об изучении «Краткого курса истории ВКП(б)». В зале заседаний присутствовал нарком иностранных дел В. М. Молотов, и доклад ему понравился. Вскоре в Ростовский пединститут пришёл приказ: Семёнова откомандировать в Москву в распоряжение НКИД СССР^[4].

Во время начала Великой Отечественной войны находился на службе в Берлине. Вместе с другим посольским персоналом на границе с Турцией был обменян на представителей немецкого дипломатического корпуса в СССР. В Москву попал через Армению в конце июля 1941 года, участвовал в рытье траншей на подступах к столице, записался в народное ополчение, но был эвакуирован из Москвы в октябре.

Некоторое время провёл в Куйбышеве, откуда в марте 1942 года был отозван в Москву. Там Молотов направил его советником посольства в нейтральную Швецию, где послом была Коллонтай, которой он не доверял^[4].

В своих мемуарах описывал, как после Сталинградской битвы союзники Германии искали подходы к советским дипломатам в Швеции с целью сепаратных переговоров, а также сама Германия (Клаус, Бруно Клейст).

В 1944 году Семёнова отозвали из Швеции.

В западной печати Семёнова называли «Нестором советской дипломатии», «серым кардиналом» МИДа, «человеком ГБ»^[5].

После окончания войны Семёнов вернулся в Берлин в качестве зама заместителя политического советника главы советской военной администрации Георгия Жукова. Участвовал в комиссии по репарациям, где ему было поручено подготовить материалы по культурному ущербу, нанесённому СССР гитлеровским нашествием.

За несколько дней до решающей Берлинской операции 16 апреля прибыл в ставку маршала И. С. Конева начальником особой правительственной группы по выполнению приказа Верховного Главнокомандования о нормализации жизни немецкого населения в районах, освобождённых войсками 1-го Украинского фронта.

С 1946 по 1953 год был политическим советником советской военной администрации под руководством Василия Соколовского и Василия Чуйкова, а также экспертом по сельскому хозяйству.

В 1948 году сыграл решающую роль в установке Советским Союзом контроля над Западным Берлином, что привело к блокаде Берлина. В 1949 году принял участие в Парижской конференции министров иностранных дел, на которой были заключены мирные договоры с Германией и Австрией.

Сразу после смерти Сталина внезапно исчез из поля зрения германской прессы и из Берлина, чем дал повод к шумихе. Семёнов объяснял этот период тем, что Молотов, вернувшись в МИД, вызвал его из Берлина и предложил стать заведующим 3-м Европейским отделом, членом коллегии МИДа. Его идеи по Германии были отвергнуты Берией.

Возвратился в Германию и в июне 1953 года, после роспуска Советской контрольной комиссии, получил должность Верховного комиссара Советского Союза в Германии. На этом посту передал руководству ГДР решение об отказе от форсированного строительства социализма и принимал участие в переговорах о создании нейтральной германской конфедерации. Во время протестов немецких рабочих укрыл бежавших руководителей ГДР в штаб-квартире в Карлсхорсте под защитой советских войск, что позволило сохранить правительство республики^[6].

В сентябре того же года был назначен послом СССР в ГДР в Восточном Берлине.

В 1954 году вернулся в Москву.

Занимал должность заместителя министра иностранных дел до 1978 года. Специализировался на Германии, Среднем и Ближнем Востоке. В 1967 году после Шестидневной войны попал в больницу.

В ноябре 1969 года был утверждён руководителем советской делегации на переговорах с США по ограничению стратегических вооружений (ОСВ-1). Переговоры проходили с 1969 по 1972 год поочерёдно в Хельсинки и Вене и завершились успешным подписанием договора. Вклад Семёнова был высоко оценён: на церемонии подписания президент США Ричард Никсон символически соединил его руки с руками главы американской делегации Джерарда Смита, назвав их достижение «большим вкладом в дело мира», а Л. И. Брежнев лично поблагодарил его за проделанную работу^[7].

С 8 апреля 1966 г. по 25 февраля 1986 г. — кандидат в члены ЦК КПСС.

В 1978 году был назначен чрезвычайным и полномочным послом СССР в ФРГ.

Политический климат был холодный, порой ледяной. Но в области экономики, научно-технических и культурных отношений Германия и Россия оставались на карте, как два великих соседних государства. Государственные интересы требовали развития этих отношений. Тут помогла и современная живопись. Будучи достаточно известным собирателем современного изобразительного искусства, я нащупал каналы связей: Антонина Гмуржниская, Петер Людвиг, Кристианс, Л.Шпег и др.

В 1982 году в Дюссельдорфе организовал выставку Малевича. Трижды показывал в Германии своё частное собрание русской живописи.

В апреле 1986 года вышел на пенсию в ранге Чрезвычайного и Полномочного Посла.

Скончался в 1992 году в Кёльне от пневмонии в возрасте 81 года. В некрологах отдавалась дань уважения ему как архитектору советской политики в отношении Германии.

Похоронен на Кунцевском кладбище Москвы^[8].

Первая жена — Евгения Николаевна Коновалова, брак заключён в студенческие годы. На момент заключения брака являлась студенткой педагогического техникума и журналисткой «Комсомольской правды». Умерла в 1961 году. В браке родилась дочь Светлана (1936—2003). Её муж — посол Шикин, Геннадий Серафимович, сын Константин.

Вторая жена — Лидия Ивановна. В браке родилась дочь Елена.

С 1963 года Семёнов вёл личный дневник и после выхода на пенсию занимался подготовкой к публикации своих воспоминаний, однако не закончил эту работу, и при жизни автора мемуары опубликованы не были. Сохранилось 160 тетрадей, различных по объёму (от 40 до 120 страниц), исписанных сложным для прочтения почерком. По состоянию на 2010 год были полностью расшифрованы 114 дневника.

В значительном сокращении, с учётом интересов немецких читателей, они вошли в выпущенную в 1995 году в Берлине книгу под названием «От Сталина до Горбачёва. Полвека дипломатической миссии 1939—1991».

В 2010 году часть воспоминаний и записей из личного дневника, предоставленных его дочерью Еленой, была опубликована в изданном ТОГУ «Государственный архив социально-политической истории Тамбовской области» сборнике документов «Тамбовцы на фронтах Второй мировой войны 1939—1945 гг.».

Был крупным коллекционером живописи. Собирать начал после 1947 года, вдохновившись примером врача Александра Мясникова, который его лечил^[5].

Его собрание насчитывало около 200 произведений русской и советской живописи и графики XX века, в том числе работы Василия Кандинского, Натальи Гончаровой, Ивана Клюна, Роберта Фалька, Александра Тышлера, Натальи Нестеровой и др^[9].

Выступил консультантом для мецената Петра Людвига.

В 1980 году Музей Людвига в Кёльне показал выставку его коллекции — Russische Kunst aus der Sammlung Semjonow^[10].

В 1984 году Галерея города Эсслинген-на-Неккаре, затем Земельный музей Майнца показали её на выставке Russische Kunst des 20. Jahrhunderts — Sammlung Semjonow.

В 1986 году коллекция была выставлена в Кунстхалле в Кёльне — Russische Avantgarde 1910—1930, Sammlung Ludwig Köln.^[11]

• 3 ордена Ленина (1948; 1966; 1981)
• Орден Октябрьской Революции (1971)
• Орден Отечественной войны 1-й степени (1945)
• 3 ордена Трудового Красного Знамени (1944; 1961; 1977)
• Орден Дружбы народов (1986)
• Орден «Знак Почёта» (1954)
• медали

С 8 мая 1965 года был Почётным гражданином города Берлина; лишён этого звания 29 сентября 1992 года^[12].

• Дудаков В. А. Коллекционеры: они были легальными миллионерами в СССР. — М.: Пробел-2000, 2018. — С. 129—133.
• Evelyn Weiss, Gerhard Kolberg, Bernd Vogelsang: Russische Kunst aus der Sammlung Semjonow. Museen der Stadt Köln, 1980.
• Michael Maegraith, Alexander Tolnay (Hrsg.): Russische Kunst des 20. Jahrhunderts. Sammlung Semjonow. Klett-Cotta, Stuttgart 1984, ISBN 3-608-76171-3
• Herbert Gerten (Red.), Evelyn Weiss (Bearb.): Russische Avantgarde 1910—1930, Sammlung Ludwig, Köln. Prestel, München 1986, ISBN 3-7913-0766-5