1885年10月7日，玻尔生于哥本哈根，父亲克里斯丁·玻尔是哥本哈根大学的生理学教授，母亲出身于一个富有的犹太人家庭，从小受到良好的家庭教育。玻尔爱好足球，曾经和弟弟哈那德·玻尔共同参加职业足球比赛。
1903年，18岁进入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。
1907年，玻尔以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先在剑桥J．J．汤姆孙主持的卡文迪许实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加了曼彻斯特大学以E．卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。
1912年，玻尔考察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说。创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来。
1913年初，玻尔任曼彻斯特大学物理学教时，在朋友的建议下，开始研究原子结构，通过对光谱学资料的考察，写出了《论原子构造和分子构造》的长篇论著，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质。提出了原子结构的玻尔模型。按照这一模型电子环绕原子核作轨道运动，外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子；较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道，将释放出一个带固定能量的光子。
1916年任哥本哈根大学物理学教授。
1917年当选为丹麦皇家科学院院士。
1920年创建哥本哈根理论物理研究所并任所长，在此后的四十年他一直担任这一职务。
1921年，玻尔发表了《各元素的原子结构及其物理性质和化学性质》的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言；
1922年，第72号元素铪的发现证明了玻尔的理论，玻尔由于对于原子结构理论的贡献获得诺贝尔物理学奖。他所在的理论物理研究所也在二三十年代成为物理学研究的中心。
1923年，玻尔接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。
1930年代中期，研究发现了许多中子诱发的核反应。玻尔提出了原子核的液滴模型，很好地解释了重核的裂变。
玻尔认识到他的理论并不是一个完整的理论体系，还只是经典理论和量子理论的混合。他的目标是建立一个能够描述微观尺度的量子过程的基本力学。为此，玻尔提出了著名的“互补原理”，即宏观与微观理论，以及不同领域相似问题之间的对应关系。互补原理指出经典理论是量子理论的极限近似，而且按照互补原理指出的方向，可以由旧理论推导出新理论。这在后来量子力学的建立发展过程中得到了充分的验证。玻尔的学生海森堡在互补原理的指导下，寻求与经典力学相对应的量子力学的各种具体对应关系和对应量，由此建立了矩阵力学。互补理论在狄拉克、薛定谔发展波动力学和量子力学的过程中起到了指导作用。
在对于量子力学的解释上，玻尔等人提出了哥本哈根诠释，但遭到了坚持决定论的爱因斯坦及薛定谔等人的反对。从此玻尔与爱因斯坦开始了玻尔-爱因斯坦论战，最有名的一次争论发生在第六次索尔维会议上，爱因斯坦提出了后来知名为爱因斯坦光盒的问题，以求驳倒不确定性原理。玻尔当时无言以对，但冥思一晚之后发现巧妙的进行了反驳，使得爱因斯坦只得承认不确定性原理是自洽的。 这一争论一直持续至爱因斯坦去世。
1937年5、6月间，玻尔曾经到过中国访问和讲学。期间，玻尔和束星北等中国学者有过深度学术交流，玻尔称束星北是爱因斯坦一样的大师。束星北的文章《引力与电磁合论》《爱因斯坦引力理论的非静力场解》是相对论早期的重要论述。
1939年，玻尔任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开始，丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳粹的迫害，逃往瑞典。
1944年，玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。
1945年，玻尔回到丹麦，此后致力于推动原子能的和平利用。
1947年，丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为“骑象勋爵”。
1952年，玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。
1955年，玻尔参加创建北欧理论原子物理学研究所，担任管委会主任。同年丹麦成立原子能委员会，玻尔被任命为主席。
1962年11月18日，玻尔因心脏病突发在丹麦的卡尔斯堡寓所逝世，享年77岁。去世前一天，他还在工作室的黑板上画了当年爱因斯坦那个光子盒的草图。
1965年玻尔去世三周年时，哥本哈根大学物理研究所被命名为尼尔斯·玻尔研究所。1997年IUPAC正式通过将第107号元素命名为Bohrium，以纪念玻尔。
其子奥格·尼尔斯·玻尔也是物理学家，于1975年获得诺贝尔物理学奖。
原子辐射理论
1922年，玻尔因对研究原子的结构和原子的辐射所做得重大贡献而获得诺贝尔物理学奖。为此，整个丹麦都沉浸在喜悦之中，举国上下都为之庆贺，玻尔成了最著名的丹麦公民。为了支持正义与和平，玻尔将自己的诺贝尔金质奖章捐给了芬兰战争。后来，人们又为他募集黄金重铸了一枚，永远陈列在丹麦博物馆里。
1924年6月，玻尔被英国剑桥大学和曼彻斯特大学授予科学博士名誉学位，剑桥哲学学会接受他为正式会员，12月又被选为俄罗斯科学院的外国通讯院士。
1927年初，海森堡、玻尔、约尔丹、薛定谔、狄拉克等成功地创立了原子内部过程的全新理论量子力学，玻尔对量子力学的创立起了巨大的促进作用。 1927年9月，玻尔首次提出了"互补原理"，奠定了哥本哈根学派对量子力学解释的基础，并从此开始了与爱因斯坦持续多年的关于量子力学意义的论战。爱因斯坦提出一个又一个的想像实验，力求证明新理论的矛盾和错误，但玻尔每次都巧妙地反驳了爱因斯坦的反对意见。这场长期的论战从许多方面促进了玻尔观点的完善，使他在以后对互补原理的研究中，不仅运用到物理学，而且运用到其他学科。
1933年，希特勒夺取了政权，德国成了法西斯国家，这对于丹麦来说是一个危险的邻邦。玻尔不是一个对什么都不关心的人，他既关心政治时事、国家生活，也关心国际事件。他对当时法西斯政权实行的种族迫害和政治迫害深感忧愁和愤怒，积极创立和参加了丹麦救援移民委员会，对从德国逃难到哥本哈根的科学家及其他难民，给予了尽力的支持相帮助。
1940年4月，德国侵占了丹麦，丹麦政府宣布投降。美国、英国等许多国家的大学打电报给玻尔，邀请玻尔全家到他们那里去避难和工作。玻尔非常不安，友好的关心和对自己命运的焦虑打动着他的心。但是，这一切都没能动摇他留在自己的岗位哥本哈根理论物理研究所的决心。
玻尔相信，这一切都是暂时的，不久都会过去。因此，不应该陷入苦闷，要坚持下去继续工作，抵抗侵略者，为共同的斗争做出贡献。在以后的一段时间里，玻尔日见消瘦，然而他却勇敢地和毫不妥协地坚持着。玻尔不隐瞒自己的好恶爱憎，拒绝与侵略者合作并不与支持侵略者的人来往。
1943年9月，希特勒政权准备逮捕玻尔，为了避免遭到迫害，玻尔在反抗运动参加者的帮助下冒着极大的危险逃到了瑞典。在瑞典，他帮助安排了几乎所有的丹麦籍犹太人逃出了希特勒毒气室的虎口。过了不久，林德曼来电报邀请玻尔到英国工作，玻尔在乘坐一架小型飞机飞往英国的途中几乎因缺氧而丧生。在英国待了两个月后，根据美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔签署的魁北克协议，美国和英国物理学家应密切合作共同工作。于是玻尔被任命为英国的顾问与查德威克等一批英国原子物理学家远涉重洋去了美国，参加了制造原子弹的曼哈顿计划。玻尔由于担心德国率先造出原子弹，给世界造成更大的威胁，所以也和爱因斯坦一样，以科学顾问的身分积极推动了原子弹的研制工作。
但他坚决反对在对日战争中使用原子弹，也坚决反对在今后的战争中使用原子弹，始终坚持和平利用原子能的观点。他积极与美国和英国的国务活动家取得联系，参加了禁止核实验，争取和平、民主和各民族团结的斗争。对于原子弹给日本造成的巨大损失，他感到非常内疚，并为此发表了《科学与文明》和《文明的召唤》两篇文章，呼吁各国科学家加强合作，和平利用原子能，对那些可能威胁世界安全的任何步骤进行国际监督，为各民族今后无忧无虑地发展自己的科学文化而斗争。
玻尔原子模型
玻尔于1913年在原子结构问题上迈出了革命性的一步，提出了定态假设和频率法则，从而奠定了这一研究方向的基础。玻尔指出：
在原子系统的设想的状态中存在着所谓的"稳定态"。在这些状态中，粒子的运动虽然在很大程度上遵守经典力学规律，但这些状态稳定性不能用经典力学来解释，原子系统的每个变化只能从一个稳定态完全跃迁到另一个稳定态。
与电磁理论相反，稳定原子不会发生电磁辐射，只有在两个定态之间跃迁才会产生电磁辐射。辐射的特性相当于以恒定频率作谐振动的带电粒子按经典规律产生的辐射，但频率u与原子的运动并不是单一关系，而是由下面的关系来决定 h = E'-E"。这就是玻尔原子模型。
