In Niels Bohrs Familie haben viele das Potenzial zum Wissenschaftler gehabt. Sein Vater Christian Bohr war Physiologe und sein Bruder Harald Bohr Mathematiker. Seine erste Forschungsarbeit, eine Präzisionsmessung der Oberflächenspannung des Wassers, wurde im Jahre 1906 mit einer Goldmedaille der Königlich Dänischen Akademie der Wissenschaften prämiert. 1911 promovierte Bohr mit einer Arbeit über die Theorie der Metallelektronen. In dieser bewies er, dass die magenetischen Eigenschaften der Metalle mit den Vorstellungen der klassischen Physik nicht verstanden werden können. Im Oktober desselben Jahres zog es ihn nach England. Zunächst zu Joseph John Thomson, aber im März 1912 nach Manchester zu Ernest Rutherford, mit dem er bald eine tiefgehende Freundschaft einging.

Im Herbst 1912 ist Bohr an der Universität von Kopenhagen Assistent geworden, und er bemühte sich um eine zusammenfassende Darstellung der in Manchester über den Atombau gesammelten Ideen. Noch im Januar des Jahres 1913 hatte er die Spektralgesetze, weil sie ihm zu kompliziert schienen, nicht berücksichtigt, aber im darauffolgenden Monat bezog er sie, angeregt durch die Lektüre eines Buches von Johannes Stark (Prinzipien der Atomdynamik II) und eine Bemerkung des Spektroskopikers Hans Marius Hansen, der ihn auf die Einfachheit der Formel für die Spektrallinien des Wasserstoffs von Johann Balmer aufmerksam machte, in seine Theorie ein. Im März 1913 übersandte er Rutherford den ersten Teil seiner im Philosophical Magazine Vol.26 erschienenen berühmten Artikel 'On the Constitution of Atoms and Molecules', in der erstmals die Balmerserie aus der Vorstellung diskreter Atomzustände abgeleitet wurde. Während die experimentelle Forschung mit den Versuchen von James Franck und Gustav Hertz, sowie von Henry G.J. Moseley weitere gewichtige Argumente für seine Theorie beisteuerte, bemühte sich Bohr beständig um eine Klärung der zugrundeliegenden Prinzipien.

Im Jahre 1913 wurde Bohr Dozent an der Universität Kopenhagen, und von 1914 bis 1916 war er auf Einladung Rutherfords wieder in Manchester. Danach ging er als Professor nach Kopenhagen zurück, wo ihm 1920 das Institut für theoretische Physik eingerichtet wurde, dem er zeitlebens als Direktor vorgestanden hat. Zwei Jahre später, im Jahr 1922 erhielt Bohr den Nobelpreis. 1931 überließ die dänische Regierung Niels Bohr in Anerkennung seiner großen Leistungen den Carlsberg-Ehrenwohnsitz, der nach Willen der Stiftung dem jeweils bedeutendsten dänischen Wissenschaftler zugehören soll.

1925 gelang Werner Heisenberg die Formulierung der Quantenmechanik. Damit trat die Quantentheorie in ihr Schlussstadium. Es folgten nun rasch aufeinander: 1926 Erwin Schrödingers Wellenmechanik und Max Borns Interpretation der Wellenfunktion, 1927 Heisenbergs Unschärferelation und Bohrs Vorstellung der Komplementarität. Nach Lösung des Problems der Meßbarkeit der elektrodynamischen Feldgrößen (1931 -1933) beschäftigte sich Bohr 1936 - 1943 mit Fragen der Kernphysik und entwickelte u.a. das sog. Tröpchenmodell des Kerns sowie eine Theorie der von Otto Hahn und Fritz Straßmann entdeckten Kernspaltung.

Im Jahre 1943 nahm Bohrs Leben eine dramatische Wendung. Von Freunden gewarnt, verließ er seine seit 1940 besetzte Heimat und floh im Segelboot über den Öresund nach Schweden. Von dort holte ihn der britische Geheimdienst nach England. Später kam er in die Vereinigten Staaten und wurde am Atombombenprojekt beteiligt. 1945 kehrte er nach Kopenhagen zurück. Nach der Gründung des großen europäischen Kernforschungszentrums CERN brachte man die theoretische Abteilung zunächst in Bohrs Institut unter. Als Bohr 1962 starb, mußte er die Theorie der Supraleitung, seinen letzten Forschungsgegenstand, ungelöst zurücklassen. Sein Nachfolger in der Leitung des berühmten Kopenhagener Instituts für theoretische Physik wurde sein Sohn Aage Bohr