Kopenhag’da (Danimarka) doğdu ve yaşamının büyük kısmını orada geçirdi. Oradaki üniversiteden 1911 yılında doktorasını aldıktan sonra Bohr, bilimsel ufuklarını genişletmek amacıyla, İngiltere’ye gitti. Rutherford’un Manchester’daki laboratuarında Bohr, yeni keşfedilmiş ve mevcut fizik ilkeleriyle çelişki içinde olan atomun çekirdekli modeli ile tanıştı.
Bohr, ışığın kuantum kuramının atomun yapısını anlamakta anahtar olduğunu seziyordu. 1913’te Kopenhag’a döndüğünde, bir arkadaşı Bohr’a, hidrojenin bir seri tayf çizgisi için Balmer’in verdiği bağıntının ilgisini çekebileceğini önerdi. Bohr daha sonra “Balmer’in bağıntısını görür görmez, benim için her şey anında açıklığa kavuştu” demiştir. Kuramını oluşturmak için Bohr, iki devrimci fikirle işe başladı. Bunlardan birincisi, atomdaki bir elektronun çekirdeğin etrafında sadece belirli yörüngelerde dolanabileceği; diğeri ise atomun sadece, bir elektron izin verilen bir yörüngeden bir diğerine atladığında bir foton yayımlanabileceği veya soğurulabileceği idi. İzin verilen bir yörünge için koşul nedir? Bunu bulmak için Bohr karşılığı bulunma ilkesi olarak bilinen bir ilkeyi yol gösterici olarak kullandı. Kuantum sayıları çok büyük olduğunda, kuantal etkiler çok belirgin olmamalı ve kuantum kuramı klasik fizikle aynı sonuçları vermelidir.
Bu ilkeyi uygulayınca, izin verilen bir yörüngedeki elektronun açısal momentumunun h = h/2n ‘nin katları olması gerektiğini gördü. On yıl sonra, Louis de Broglie, açısal momentumun kuantumlanmasını, hareketli elektronun dalga özelliğini kullanarak açıkladı.Bohr, sadece Balmer serilerini değil, hidrojenin bütün tayf serilerini açıklamayı başardıysa da kuramının yayınlanması büyük tartışmaya yol açtı. Einstein, kuramının şevkli bir destekleyicisi olmasına rağmen klasik ve kuantum kavramlarının cesurcasma karıştırılması hakkında şu yorumu yaptı: “İnsan başarılarından [kuramının] dolayı utanç duymalıdır, çünkü bu başarılar Cizvitlerin ‘Sağ elinin yaptığını sol elin bilmesin’ özdeyişine uyma pahasına kazanılmıştır.” Başka tanınmış fizikçilerin hissettikleri rahatsızlık daha derindi: Otto Stern ve Max Laue, eğer Bohr haklı çıkarsa fiziği bırakacaklarını söylediler. (Daha sonra fikirlerini iyi ki değiştirdiler.)
Bohr ve diğerleri, bu modeli, çok elektronlu atomlara genişletmeye çalışırken zaman zaman örneğin, o zaman bilinmeyen hafniyum elementinin özelliklerinin doğru olarak önsöyülmesinde başarılı oldular fakat gerçek ilerleme için Wolfgang Pauli’nin 1925’teki dışarma ilkesini beklemek gerekti.1916’da Bohr, Rutherford’un laboratuarına döndü ve 1919’a kadar kaldı. Aynı yıl, kendisi için, Kopenhag’da bir kuramsal Fizik Enstitüsü kuruldu ve ölümüne kadar burasını yönetti. Enstitü, buradaki düzenli toplantılarda yapılan fikir alışverişleriyle uyartılan kuantum kuramcıları için sanki bunları dünyanın her tarafından çeken bir mıknatıs gibiydi.
Bohr 1922’de Nobel ödülü aldı. 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. II. Dünya Savaşı sırasında Bohr, New Mexico’daki Los Alamos’ta (ABD) atom bombasının geliştirilmesine katkıda bulundu. Savaştan sonra Kopenhag’a döndü ve burada 1962’de öldü.