Niels Henrik David Bohr, filho de Christian Bohr, e de Ellen Adler, nasceu a 7 de Outubro de 1885 em Copenhaga, Dinamarca. O seu pai, que era professor de fisiologia na Universidade de Copenhaga, desde cedo o incentivou a estudar física e matemática e proporcionou-lhe o acesso à leitura e à cultura.
Em 1903, Niels matriculou-se na Escola Secundária de Gammelholm. Mais tarde, Bohr entrou para a Universidade de Copenhaga, onde foi influenciado pelo Professor Christiansen, um físico bastante reconhecido e prestigiado na época. Obteve em 1906 o grau de mestre e em Maio de 1911 obteve o grau de doutor com a tese Studies on the electron theory of metals, que dedicou a seu pai, falecido meses antes.
Enquanto estudante, um anúncio, da Academia de Ciências de Copenhaga, de um prémio para quem resolvesse um determinado problema científico levou-o a realizar uma investigação teórica e experimental sobre a tensão da superfície provocada pela oscilação de jatos fluídos. Por este trabalho, levado a cabo no laboratório do seu pai, e publicado pela Royal Society em 1908, Bohr foi condecorado pela Academia de Ciências dinamarquesa com uma medalha de ouro.
Bohr continuou as suas investigações. No Outono de 1911, Bohr mudou-se para Cambridge, onde trabalhou no Laboratório Cavendish sob a orientação de J. J. Thomson. Na Primavera de 1912, Niels Bohr passou a trabalhar no Laboratório do Professor Rutherford, em Manchester. Aí realizou um importante trabalho sobre a absorção de raios alpha, que viria a ser publicado na Philosophical Magazine, em 1913.
De regresso à dinamarca, em 1913, Bohr passou a dedicar-se ao estudo da estrutura do átomo, baseando-se na descoberta núcleo atómico, realizada por Rutherford. Bohr acreditava que, utilizando a teoria quântica de Planck, seria possível criar um novo modelo atómico, capaz de explicar a forma como os eletrões absorvem e emitem energia radiante.
Em 1913, Bohr , estudando o átomo de hidrogénio, conseguiu formular um novo modelo atómico. A teoria de Bohr sobre a constituição do átomo, que foi sucessivamente enriquecida, representou um passo decisivo no conhecimento do átomo. A sua publicação teve uma enorme repercussão no mundo científico e permitiu a Bohr alcançar grande prestígio e reputação. De 1914 a 1916 foi professor de Física Teórica na Universidade de Victoria, em Manchester. Mais tarde, voltou para Copenhaga, onde foi nomeado diretor do Instituto de Física Teórica em 1920.
Pelas suas investigações sobre a estrutura atómica à luz da Mecânica Quântica, ganhou em 1922 o Prémio Nobel da Física. Nesse mesmo ano, publicou a obra "The Theory of Spectra and Atomic Constitution", cuja segunda edição foi publicada em 1924.
Em 1933, juntamente com seu aluno Wheeler, Bohr aprofundou a teoria da fissão, evidenciando o papel fundamental do urânio 235. Estes estudos permitiram prever também a existência de um novo elemento, descoberto pouco depois: o plutónio. Um ano depois publicou o livro "Atomic Theory and the Description of Nature", que foi reeditado em 1961. Em Janeiro de 1937, participou na Quinta Conferência de Física Teórica, em Washington, na qual defendeu a interpretação de L. Meitner e Otto R. Frisch, também do Instituto de Copenhaga, para a fissão do urânio.
Durante a ocupação nazi da Dinamarca, refugiou-se em Inglaterra e posteriormente nos Estados Unidos, onde ocupou o cargo de consultor do laboratório de energia atómica de Los Alamos. Neste laboratório, alguns cientistas iniciavam a construção da bomba atómica. Compreendendo a gravidade da situação e o perigo que essa bomba poderia representar para a humanidade, Bohr dirigiu-se a Churchill e Roosevelt, num apelo (em vão) à sua responsabilidade de chefes de Estado, tentando evitar a construção da bomba atómica.
Regressou à Dinamarca, onde foi eleito presidente da Academia de Ciências. Bohr continuou a apoiar as vantagens da colaboração científica entre as nações e foi promotor de congressos científicos organizados periodicamente na Europa e nos Estados Unidos. A sua luta em defesa da preservação da paz, por ele considerada como condição indispensável para a liberdade de pensamento e de pesquisa, valeu-lhe a atribuição, em 1957, do U.S. Atoms for Peace Award (Prémio Átomos para a Paz).
Faleceu a 18 de Novembro de 1962, em Copenhaga, Dinamarca, vítima de uma trombose, aos 77 anos de idade.