7 Ekim 1885 tarihinde Danimarka, Kopenhag’da doğdu. Babası Kopenhag Üniversitesi’nde ünlü bir tıp profesörü, annesi ise zengin bir bankerin kızıydı. Niels ve sonradan ünlü bir matematikçi olan kendisinden iki yaş küçük kardeşi Harald, Kopenhag Üniversitesi’ni son derece parlak derecelerle bitirdiler. Aynı zamanda her ikisi de Danimarka milli futbol takımında oynamaktaydılar.
Niels Bohr 1910’da metallerin elektron teorisi üzerine hazırladığı teziyle doktorasını aldıktan sonra Carlsberg bira fabrikalarının verdiği bir bursla Cambridge Üniversitesi’ne J.J. Thompson’un laboratuvarına gitti. Orada birkaç ay kaldıktan sonra Manchester Üniversitesi’nde Ernest Rutherford’un yanına geçti.
1912’de Danimarka’ya döndükten sonra kendi adıyla bilinen atom modelini inşa ederek kuantum fiziğinde önemli bir adım attı. Kuantum fiziği ile klasik fizik arasındaki ilişkinin ne olacağı üstüne düşündü.
1916’da fizik profesörü olarak Kopenhang Üniversitesi’ne döndü.
Kuantum kuramının atom yapısının belirlenmesinde ilk kez kendi adıyla anılan atom modelini oluşturdu. Kuantum fiziğinin gelişmesinde 50 yıla yakın bir süre öncü rol oynadı. Ayrıca atom çekirdeğinin “sıvı damlacığı modeli”ni geliştirdi.
Kopenhag Teorik Fizik Enstitüsü başkanlığına getirilen Bohr, Atomların yapısı ve onlardan yayılan ışınım üzerine yaptığı çalışmalar için 1922’de Nobel Ödülü’nü alır. Bohr’un kuantum mekaniği yorumu (Kopenhag yorumu) bu sıralarda bulundu. Bohr 2. Dünya Savaşı’nda Danimarka Almanlar tarafından işgal edilene kadar enstitüsünün başında kaldı.
İşgalden biraz önce 1943’te İsveç’e kaçarak oradan ABD’ye geçti. New Mexico’daki Los Alamos’ta Alamos’taki (Manhattan Projesi’nde) Atom bombası projesine katıldı, atom bombasının geliştirilmesine katkıda bulundu. Ancak savaş biter bitmez Danimarka’ya döndü ve atom bombasının kullanımı ve yaygınlaşmasının önlenebilmesi için çalıştı.
Savaştan sonra,atom enerjisinin barışçı kullanımının geliştirilmesini içeren kararını, birçok insani yayın organında açıkladı. 1957’de de Barış İçin Atom ödülünü aldı. Oğlu Aage Bohr da büyük bir fizikçi oldu. O da 1975 Nobel fizik ödülünü kazandı.
Son önemli çalışmasını, 1939’da yaptı. Yeni keşfedilmiş olan çekirdek bölünmesinin neden bazı çekirdeklerde olup diğerlerinde olmadığını açıklamak için, bir büyük çekirdek ile bir sıvı damlası arasındaki benzerliği kullanmıştı.
Savaştan sonra Kopenhag’a döndü ve burada 18 Kasım 1962′de öldü.
