Из казаков. Родился в Забайкалье. Окончил Оренбургское военное казачье училище (1911). Участник Первой мировой войны, награжден орденом Святого Георгия 4-й степени (1914), Георгиевским оружием (1916). После Февральской революции в качестве комиссара Временного правительства занимался формированием монгольских и бурятских полков. В августе 1917 г. организовал Особый маньчжурский отряд, предпринял экспедицию против появлявшихся в Забайкалье Советов рабочих и солдатских депутатов.

После Октябрьской революции поднял восстание против советской власти, положив начало гражданской войне в Забайкалье. Обращение Семёнова к съезду сельских жителей Забайкалья с призывом к «беспощадной борьбе с большевизмом» не нашло поддержки, ушел в Маньчжурию. Приступил к формированию «Особого Маньчжурского отряда» численностью около 500 человек. 29 января 1918 г. отряд Семёнова перешел границу, атаковал и занял станцию Маньчжурия, продолжил наступление к Чите. В марте 1918 г. семёновцы были разбиты силами Центросибири (Центрального исполнительного комитета Советов Сибири). в районе станции Даурия и отброшены обратно в Маньчжурию.

Благодаря антисоветскому выступлению Чехословацкого корпуса в августе 1918 г. утвердился в Забайкалье, установил режим военной диктатуры. Вернул национализированные предприятия владельцам. Проводил насильственную мобилизацию в армию, активно прибегал к методам террора, чем вызвал мощное партизанское движение.

С конца 1918 г. поддерживал политику японской интервенции, отказавшись поначалу признать власть Верховного правителя А. В. Колчака. В мае 1919 г. избран войсковым атаманом Забайкальского казачьего войска. Приказом Колчака назначен командиром 6-го Восточно-Сибирского армейского корпуса. В конце декабря 1919 г. командующий войсками Иркутского, Забайкальского и Приамурского военных округов на правах главнокомандующего. Генерал-лейтенант (1919).

В январе 1920 г. получил от Колчака «всю полноту военной и гражданской власти на всей территории Российской Восточной окраины». В феврале 1920 г. из трех корпусов войск Восточного фронта Русской армии сформировал Дальневосточную армию. С апреля по октябрь 1920 г. она вела ожесточенные бои с Народно-революционной армией Дальневосточной Республики.

После эвакуации японских войск с территории Забайкалья (июль–октябрь 1920) бежал из Читы на аэроплане, остатки войск отступили в Маньчжурию. В 1921 г. после неудачной попытки возглавить армию Приамурского Земского Края, окончательно покинул Россию.

В эмиграции жил в Японии, Китае, США, Канаде. Возглавлял Союз казаков на Дальнем Востоке. После образования подконтрольного Японии государства Маньчжоу-Го вернулся в Маньчжурию. После ее занятия Красной армией (1945) арестован советскими властями и в 1946 г. после суда повешен. В 1994 г. признан не подлежащим реабилитации.