玻尔于1885年10月7日出生在丹麦哥本哈根的一个知识分子家庭。他的父亲是丹麦皇家科学文学院的院士，是一位着名的生理学教授。玻尔自幼就受到家庭浓厚的科学、哲学、文学和艺术气氛的熏陶。
1911年，玻尔获得哥本哈根大学的博士学位，当年１０月，到英国剑桥大学卡文迪许实验室深造。次年３月，他转到曼彻斯特大学，在卢瑟福领导的实验室工作，卢瑟福进行了一项开创原子时代的研究工作，即通过α粒子在原子上的大角度散射实验，证明原子的绝大部分质量集中在一个极为微小的原子核中，它的大小只有原子的万分之一，这一发现使玻尔意识到，原子世界的奥秘和量子有密切的关系，牛顿力学和经典的电动力学是不适用于原子现象的。于是玻尔一头扎进卢瑟福的实验室中，不分昼夜地工作。当时，卢瑟福实验室中的分离放射性元素的失败使玻尔弄清了一个问题，即有些原子的电子数相同，但原子核的质量不同，这些原子因此有着完全相同的化学性质，却有着不同的原子量。玻尔指出的那些原子，后来被称作“同位素”。
同时，玻尔用卢瑟福的原子模型分析了荷电粒子在通过物质时的情况，推导出它在物质里的射程与它的速度的关系。玻尔在推导过程中考虑得非常详尽，以致于量子力学建立后所作的更精确的推导只给出微小的修正。1912年７月，玻尔回到丹麦。在曼彻斯特停留的短短四个月内，使他从经典电动力学不适用于原子领域这个观念向前迈出了关键的一大步，形成了把普朗克和爱因斯坦的量子理论用于决定原子状态的想法。
经过几个月努力的探索，1913年初，玻尔终于提出了他着名的原子理论，这个理论的基本假设有两个：原子系统只能处在一系列能量分立的稳态上；原子系统可以从一个稳态跃迁到另外一个稳态上，这时伴随着光辐射量子的发射或吸收。
随即，玻尔的理论在卢瑟福的实验室里接受了氦原子光谱实验的考验。当时新发现了一系列的谱线，发现者认为它们是氢原子发出的，但这并不符合玻尔的理论；玻尔指出这是氦发出的，实验证明玻尔是正确的。这样，玻尔的理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的成功。因为对原子结构模型的研究，他荣获了１９２２年的诺贝尔物理学奖。
玻尔并没有停留在已取得的成就上，他清楚地感觉到他的理论还不是一个完善的理论，还只是一个经典理论和量子理论的混合。摆在玻尔面前的是建立一个能在微观现象中描述量子过程的基本的力学。为此，玻尔提出了他着名的“对应原理”，寻求经典理论与新的量子理论对原子系统的描述的对应关系。尽管对应原理的论证得到很多重要的结果，但玻尔很清楚，他的理论还不是一个完整的理论。1925年7月，玻尔指出：“经典电动力学所需的推广，要求对迄今为止人们探索到的对自然的描述来一次深刻的革命，对此必须有所准备。”
几个月后，这次革命就发生了。这是由年轻的海森堡在玻尔的“对应原理”的思想引导下掀起的，随后经过玻恩、约当、狄拉克、薛定谔等许多物理学家的努力，一门描述原子现象的新的力学——量子力学建立起来了，这正是玻尔一直在追求的。1916年，丹麦为玻尔建立起一个理论物理研究所，在他身边聚集了一大批出类拔萃的年轻物理学者，玻尔对他们的影响是巨大的、深远的。在确立微观现象与宏观现象的物理规律的本质上的差异方面，在建立新力学和哥本哈根解释的艰巨过程中，玻尔所起的指导作用会永远载入物理学的史册。另外，他还是新力学的强有力的支持者，但这使他卷入一场与爱因斯坦毕生的学术争论中。物理学家为这场争论感到幸运，因为争论的每一个回合都使人们对量子力学的本质有了更深入的了解。
玻尔发展了复合原子核的理论，而且从复合原子核和原子核的液滴图像出发，结合统计物理的方法，建立了原子核裂变的理论。这又是一个开创性的工作，对后来原子能的应用所起的作用是十分重要的。
１９４３年，在纳粹占领下的丹麦，玻尔面临作为人质被逮捕的危险，便不得不逃离丹麦，经过瑞典转去英国和美国，并且马上参加了制造原子弹的工作。在原子弹尚未试验之前，玻尔就看到原子武器可能给人类文明带来的灾难。他指出，如果原子能掌握在世界上爱好和平的国家手中，这种能量就能保障世界的持久和平；假如它被滥用，就会导致文明的毁灭。
战后，玻尔回到饱经劫难的丹麦，他为恢复丹麦的科学事业努力工作着，为维护世界和平他利用原子能进行呼吁，为促进各国科学之间的国际合作他不断奔走呼告。他是目前欧洲最大规模的国际合作组织欧洲原子核研究中心的发起人之一。