Родился 20 апреля 1935 года в селе Торопец Калининской (Тверской) области. В 1958 году окончил физико-технический факультет Днепропетровского университета. Распределен в особое конструкторское бюро Михаила Янгеля (ОКБ-586, Днепропетровск), где работал над созданием боевых ракетных комплексов Р-12, Р-14, Р-16 и военных спутников серии "Космос". В 1964 году перешел на работу в подмосковное ОКБ-1 Сергея Королева (с 1974 года — НПО "Энергия"), где быстро выдвинулся на руководящие должности. По неофициальной информации, этому способствовал брак господина Семенова с дочерью члена ЦК КПСС Андрея Кириленко Валентиной.
Был заместителем ведущего конструктора корабля "Союз", участвовал в создании космических аппаратов 7К-Л1 ("Зонд") для исследования Луны. В 1970 году стал ведущим специалистом ОКБ по долговременным орбитальным станциям и пилотируемым кораблям. С 1972 года — главный конструктор космических кораблей и станций. С 1977 года возглавлял работы по программе "Интеркосмос" (полеты в космос граждан социалистических стран). В 1978 году назначен заместителем, в 1981-м — первым заместителем генконструктора НПО "Энергия". Являлся главным конструктором корабля многоразового использования "Буран". В 1989 году по представлению зампреда Совмина СССР Виталия Догужиева (с которым был знаком со студенческих времен) занял пост генконструктора "Энергии", в 1991 году — гендиректора объединения. После преобразования в 1994 году НПО "Энергия" в ракетно-космическую корпорацию назначен президентом, генконструктором, руководителем головного конструкторского бюро. С 1993 года возглавляет проект по созданию МКС с российской стороны.
Доктор технических наук. Академик и член президиума РАН, действительный член Международной академии астронавтики и Международной инженерной академии. Герой Социалистического Труда (1976), награжден двумя орденами Ленина, орденом "За заслуги перед Отечеством" III степени (1995), золотой медалью им. К. Э. Циолковского. Лауреат Ленинской (1978), двух Государственных (1985 и 1999) и ряда международных премий. Заслуженный деятель науки РФ (1996). Автор более 360 научных трудов. Почетный гражданин города Королева.
Женат, две дочери, пятеро внуков.