Niels Henrik David Bohr blev født i København den 7. oktober 1885 som søn af Christian Bohr, professor i fysiologi ved Københavns Universitet, og hans hustru Ellen, født Adler. Niels voksede sammen med sin yngre bror Harald (den kommende professor i matematik) op i en atmosfære, der var mest gunstig for udviklingen af hans geni – hans far var en fremtrædende fysiolog og var i høj grad ansvarlig for at vække hans interesse for fysik, mens han stadig gik i skole. , kom hans mor fra en familie udmærket inden for uddannelsesområdet.
Efter studentereksamen på Gammelholms Gymnasium i 1903 kom han ind på Københavns Universitet, hvor han kom under vejledning af professor C. Christiansen, en dybt original og højt begavet fysiker og tog sin kandidatgrad i fysik i 1909 og sin doktorgrad i 1911.
Medens Videnskabsakademiet i København annoncerede en pris, der skulle uddeles for løsning af et bestemt videnskabeligt problem, fik ham til at tage fat på en eksperimentel og teoretisk undersøgelse af overfladespændingen ved hjælp af oscillerende væskestråler. Dette arbejde, som han udførte i sin fars laboratorium, og som han modtog den tilbudte pris for (en guldmedalje), blev offentliggjort i Transactions of the Royal Society, 1908.
Bohrs efterfølgende undersøgelser, fik mere og mere teoretisk karakter, idet hans doktordisputats var et rent teoretisk stykke arbejde om forklaringen af metallernes egenskaber ved hjælp af elektronteorien, der den dag i dag er en klassiker om emnet. Det var i dette arbejde, at Bohr første gang blev konfronteret med implikationerne af Plancks kvanteteori om stråling.
I efteråret 1911 opholdt han sig i Cambridge, hvor han profiterede på at følge det eksperimentelle arbejde, der foregik i Cavendish Laboratory under Sir JJ Thomsons vejledning, samtidig med at han forfulgte egne teoretiske studier. I foråret 1912 var han på arbejde i professor Rutherfords laboratorium i Manchester, hvor der netop i disse år herskede et så intensivt videnskabeligt liv og aktivitet som en konsekvens af denne efterforskers grundlæggende undersøgelser af de radioaktive fænomener. Efter at have udført et teoretisk stykke arbejde om absorption af alfa-stråler, som blev offentliggjort i Philosophical Magazine, 1913, gik han videre til en undersøgelse af atomernes struktur på grundlag af Rutherfords opdagelse af atomkernen. Ved at introducere forestillinger lånt fra kvanteteorien som etableret af Planck, som efterhånden var kommet til at indtage en fremtrædende position i videnskaben om teoretisk fysik, lykkedes det ham at udarbejde og præsentere et billede af atomstrukturen, der med senere forbedringer (hovedsageligt som en resultat af Heisenbergs ideer i 1925), fungerer stadig passende som en belysning af grundstoffernes fysiske og kemiske egenskaber.
I 1913-1914 afholdt Bohr et lektorat i fysik ved Københavns Universitet og i 1914-1916 en lignende ansættelse ved Victoria University i Manchester. I 1916 blev han udnævnt til professor i teoretisk fysik ved Københavns Universitet, og siden 1920 (til sin død i 1962) stod han i spidsen for Institut for Teoretisk Fysik, oprettet for ham ved dette universitet.
Anerkendelse af hans arbejde med atomernes struktur kom med tildelingen af Nobelprisen for 1922.
Bohrs aktiviteter i hans institut var siden 1930 mere og mere rettet mod forskning i atomkernernes opbygning, og deres transmutationer og disintegrationer. I 1936 påpegede han, at i nukleare processer retfærdiggør den lille region, hvori interaktionerne finder sted, såvel som styrken af disse interaktioner, overgangsprocesserne til at blive beskrevet mere på en klassisk måde end i tilfældet med atomer (Jf. »Neutron capture and nuclear constitution«, Nature, 137 (1936) 344).
En væskedråbe ville ifølge denne opfattelse give et meget godt billede af kernen. Denne såkaldte væskedråbe-teori tillod forståelsen af mekanismen bag nuklear fission, da spaltningen af uran blev opdaget af Hahn og Strassmann i 1939, og dannede grundlaget for vigtige teoretiske undersøgelser på dette område (blandt andre af Frisch og Meitner).
Bohr bidrog også til afklaringen af de problemer, man støder på i kvantefysikken, især ved at udvikle begrebet komplementaritet. Herved kunne han vise, hvor dybt ændringerne på fysikkens område har påvirket grundlæggende træk ved vores videnskabelige syn, og hvordan konsekvenserne af denne holdningsændring rækker langt ud over atomfysikkens rammer og berører alle områder af menneskelig viden. Disse synspunkter diskuteres i en række essays, skrevet i årene 1933-1962. De er tilgængelige på engelsk, samlet i to bind med titlen Atomic Physics and Human Knowledge and Essays 1958-1962 on Atomic Physics and Human Knowledge, redigeret af John Wiley and Sons, New York og London, i henholdsvis 1958 og 1963.
Blandt professor Bohrs talrige skrifter (omkring 115 publikationer) kan tre, der optræder som bøger på engelsk, nævnes her som legemliggør hans hovedtanker: The Theory of Spectra and Atomic Constitution, University Press, Cambridge, 1922/ 2. udg., 1924; Atomic Theory and the Description of Nature, University Press, Cambridge, 1934/genoptryk 1961; The Unity of Knowledge, Doubleday & Co., New York, 1955.
Under den nazistiske besættelse af Danmark i Anden Verdenskrig flygtede Bohr til Sverige og tilbragte de sidste to år af krigen i England og Amerika , hvor han blev tilknyttet Atomic Energy Project. I sine senere år viede han sit arbejde til den fredelige anvendelse af atomfysik og til politiske problemer, der opstod som følge af udviklingen af atomvåben. Især gik han ind for en udvikling mod fuld åbenhed mellem nationerne. Hans synspunkter er især fremsat i hans åbne brev til De Forenede Nationer, 9. juni 1950.
Indtil slutningen forblev Bohrs sind årvågen som altid; i løbet af de sidste par år af sit liv havde han vist stor interesse for de nye udviklinger inden for molekylærbiologi. Den seneste formulering af hans tanker om livets problem dukkede op i hans sidste (ufærdige) artikel, udgivet efter hans død: “Licht und Leben-noch einmal”, Naturwiss., 50 (1963) 72: (på engelsk: “Light and Life revisited”, ICSU Rev., 5 ( 1963) 194).
Niels Bohr var formand for Det Kongelige Danske Videnskabsakademi, for Kræftkomiteen og formand for Den Danske Atomenergikommission. Han var udenlandsk medlem af Royal Society (London), Royal Institution og akademier i Amsterdam, Berlin, Bologna, Boston, Göttingen, Helsingfors, Budapest, München, Oslo, Paris, Rom, Stockholm, Uppsala, Wien, Washington, Harlem, Moskva, Trondhjem, Halle, Dublin, Liège og Krakow. Han var Doctor, honoris causa, ved følgende universiteter, colleges og institutter: (1923-1939) – Cambridge, Liverpool, Manchester, Oxford, København, Edinburgh, Kiel, Providence, Californien, Oslo, Birmingham, London; (1945-1962) – Sorbonne (Paris), Princeton, Mc. Gill (Montreal), Glasgow, Aberdeen, Athen, Lund, New York, Basel, Aarhus, Macalester (St. Paul), Minnesota, Roosevelt (Chicago, Ill.), Zagreb, Technion (Haifa), Bombay, Calcutta, Warszawa, Bruxelles, Harvard, Cambridge (Mass.) og Rockefeller (New York).
Professor Bohr blev gift i 1912 med Margrethe Nørlund, som for ham var en ideel følgesvend. De havde seks sønner, hvoraf de mistede to; de andre fire har gjort en fornem karriere i forskellige erhverv – Hans Henrik (MD), Erik (kemiingeniør), Aage (Ph.D., teoretisk fysiker, efter sin far som direktør for Institut for Teoretisk Fysik), Ernest (advokat) .
Niels Bohr døde i København den 18. november 1962.