Он родился в семье учителя гимназии 20 сентября 1874 года в Орловской губернии. Детские годы Н.А. Семашко провел в поместье своей тети Софьи Серафимовны, которая с малых лет воспитала в нем сопереживание, доброжелательное отношение к людям, а в 10 лет был зачислен в Елецкую гимназию. В 13 лет Н.А. Семашко стал преподавателем шестнадцатилетней дочери полковника полиции, а также давал частные уроки. В выпускном классе он с товарищами организовал кружок, в котором читали запрещенную литературу (революционное движение). Об этом узнало руководство гимназии. Многих исключили, а Н.А. Семашко, как круглого отличника, не исключили, но лишили золотой медали.
В 1891 г. семнадцатилетний Н.А. Семашко поступил на медицинский факультет Императорского Московского университета (ИМУ). Н.А. Семашко занимался медициной, философией, читал, изучал французский язык. В последующем Н.А. Семашко обучался на медицинском факультете Императорского Казанского университета, после окончания которого был принят на должность врача-эпидемиолога Самарского губернского медико-санитарного бюро. После обучения бактериологии будущий первый нарком здравоохранения успешно провел работу по ликвидации эпидемии дифтерии в селе Орлов-Гай. Затем его направили в деревню Новая Александрия (считали, что там началась эпидемия чумы, и деревню планировали сжечь). Молодой доктор установил, что причина эпидемии – не чума, а сибирская язва. Работая эпидемиологом, Н.А. Семашко вел просветительскую работу среди населения: разъяснял, в чем заключаются особенности инфекционных болезней, и рассказывал о мерах их профилактики. В 1902 г. стал заведующим сельской больницей в селе Троицкое Орловской губернии . Он лечил детей и взрослых, делал хирургические операции. Благодаря родственникам Семашко возобновил врачебную практику в Нижнем Новгороде. Здесь он начал изучать влияние факторов внешней среды на состояние здоровья населения.
После Октябрьской революции Н.А. Семашко возглавил врачебно-гигиеническое отделение, перед которым стояла задача руководства здравоохранением в Москве. Он активно организовывал лечебную и профилактическую помощь населению столицы, создавал систему здравоохранения Москвы. Позже Н.А. Семашко вошел в состав Совета Врачебных коллегий – высшего медицинского органа того времени. Совет Наркомздрава проделал большую работу по укреплению и организации медико-санитарных отделов на местах, по сплочению медицинских специалистов вокруг новой власти.
Основное внимание Н.А. Семашко было сосредоточено на борьбе с инфекционными заболеваниями. Основными принципами, на которых основывалась деятельности Наркомздрава, являлись единство, бесплатность и доступность медицинской помощи для всего населения, профилактическое направление, тесная связь медицинской науки с практикой, проведение широких государственных санитарных, противоэпидемических и оздоровительных мероприятий, привлечение населения к делу здравоохранения.
В сложившихся тяжелых условиях возник дефицит медицинских кадров. Данную проблему необходимо было решить в кратчайшие сроки. Н.А. Семашко 20 декабря 1918 г. утвердил постановление Наркомздрава «О трудовой повинности медицинского персонала». Согласно данному постановлению в целях максимального охвата населения медицинской помощью местные отделы здравоохранения брали на учет всех медицинских работников.
По инициативе Н.А. Семашко в Наркомздраве был создан отдел санитарного просвещения, которое нарком рассматривал как основу профилактического направления советского здравоохранения. Он был инициатором внедрения в практику новых форм агитации здорового образа жизни. По его мнению, методом реализации профилактического направления являлась диспансеризация. Н.А. Семашко был главным идеологом открытия профильных диспансеров, а также сетей лечебных учреждений по борьбе с профессиональными заболеваниями. По указанию наркома стали проводить систематическое диспансерное наблюдение за группами рабочих в цехах с вредным производством.
Н.А. Семашко рассматривал здоровый образ жизни как основной принцип профилактической медицины и считал его одним из ведущих направлений отечественного здравоохранения.
Н.А. Семашко возглавил Комиссию по улучшению жизни детей. Он успешно решал проблемы детской беспризорности, организовывал детские оздоровительные учреждения, разрабатывал важнейшие декреты по охране здоровья детей. Принял активное участие в создании Академии медицинских наук СССР. С 1945 по 1949 г. Н.А. Семашко работал директором Института школьной гигиены Академии педагогических наук РСФСР, успешно руководил теоретической разработкой вопросов режима труда и отдыха школьников и их гигиенического воспитания. В 1946 г. он организовал и возглавил комиссию Президиума Академии медицинских наук по изучению санитарных последствий войны.
Умер Николай Александрович Семашко 18 мая 1949 г., похоронен на Новодевичьем кладбище.