Ganha a medalha de ouro oferecida pela Sociedade Científica Dinamarquesa aos 22 anos, na Universidade de Copenhague, onde conclui o doutorado em 1911. Segue para a Inglaterra para fazer o pós-doutorado em Cambridge com J.J. Thomson.
Em 1912 muda-se para Manchester para trabalhar com o físico inglês Ernest Rutherford, que acabava de propor um modelo para a estrutura do átomo. Com base nele, Bohr identifica a posição dos elétrons no núcleo atômico, estabelecendo que ele se desloca sempre em determinadas órbitas estáveis ou quânticas.
Pela descoberta, recebe o Prêmio Nobel de Física de 1922. Volta para a Dinamarca em 1920 e dirige o Instituto de Física Teórica de Copenhague. Na década de 30, sua teoria sobre a mecânica quântica contribui para o sucesso das primeiras tentativas de fissão nuclear.
Durante a II Guerra Mundial, vai para os Estados Unidos e colabora com as pesquisas que levam à fabricação da bomba atômica. Em 1944 abandona o projeto e passa a trabalhar pela utilização pacífica da energia nuclear. Retorna a seu país no ano seguinte. Morre em Copenhague.