玻爾於1885年10月7日出生在丹麥哥本哈根的一個知識分子家庭。他的父親是丹麥皇家科學文學院的院士，是一位著名的生理學教授。玻爾自幼就受到家庭濃厚的科學、哲學、文學和藝術氣氛的熏陶。
1911年，玻爾獲得哥本哈根大學的博士學位，當年１０月，到英國劍橋大學卡文迪許實驗室深造。次年３月，他轉到曼徹斯特大學，在盧瑟福領導的實驗室工作，盧瑟福進行了一項開創原子時代的研究工作，即通過α粒子在原子上的大角度散射實驗，證明原子的絕大部分質量集中在一個極為微小的原子核中，它的大小隻有原子的萬分之一，這一發現使玻爾意識到，原子世界的奧秘和量子有密切的關係，牛頓力學和經典的電動力學是不適用於原子現象的。於是玻爾一頭紮進盧瑟福的實驗室中，不分晝夜地工作。當時，盧瑟福實驗室中的分離放射性元素的失敗使玻爾弄清了一個問題，即有些原子的電子數相同，但原子核的質量不同，這些原子因此有著完全相同的化學性質，卻有著不同的原子量。玻爾指出的那些原子，後來被稱作“同位素”。
同時，玻爾用盧瑟福的原子模型分析了荷電粒子在通過物質時的情況，推導出它在物質裏的射程與它的速度的關係。玻爾在推導過程中考慮得非常詳盡，以致於量子力學建立後所作的更精確的推導隻給出微小的修正。1912年７月，玻爾回到丹麥。在曼徹斯特停留的短短四個月內，使他從經典電動力學不適用於原子領域這個觀念向前邁出了關鍵的一大步，形成了把普朗克和愛因斯坦的量子理論用於決定原子狀態的想法。
經過幾個月努力的探索，1913年初，玻爾終於提出了他著名的原子理論，這個理論的基本假設有兩個：原子係統隻能處在一係列能量分立的穩態上；原子係統可以從一個穩態躍遷到另外一個穩態上，這時伴隨著光輻射量子的發射或吸收。
隨即，玻爾的理論在盧瑟福的實驗室裏接受了氦原子光譜實驗的考驗。當時新發現了一係列的譜線，發現者認為它們是氫原子發出的，但這並不符合玻爾的理論；玻爾指出這是氦發出的，實驗證明玻爾是正確的。這樣，玻爾的理論隨即被用於分析各種譜線，獲得了巨大的成功。因為對原子結構模型的研究，他榮獲了１９２２年的諾貝爾物理學獎。
玻爾並沒有停留在已取得的成就上，他清楚地感覺到他的理論還不是一個完善的理論，還隻是一個經典理論和量子理論的混合。擺在玻爾麵前的是建立一個能在微觀現象中描述量子過程的基本的力學。為此，玻爾提出了他著名的“對應原理”，尋求經典理論與新的量子理論對原子係統的描述的對應關係。盡管對應原理的論證得到很多重要的結果，但玻爾很清楚，他的理論還不是一個完整的理論。1925年7月，玻爾指出：“經典電動力學所需的推廣，要求對迄今為止人們探索到的對自然的描述來一次深刻的革命，對此必須有所準備。”
幾個月後，這次革命就發生了。這是由年輕的海森堡在玻爾的“對應原理”的思想引導下掀起的，隨後經過玻恩、約當、狄拉克、薛定諤等許多物理學家的努力，一門描述原子現象的新的力學——量子力學建立起來了，這正是玻爾一直在追求的。1916年，丹麥為玻爾建立起一個理論物理研究所，在他身邊聚集了一大批出類拔萃的年輕物理學者，玻爾對他們的影響是巨大的、深遠的。在確立微觀現象與宏觀現象的物理規律的本質上的差異方麵，在建立新力學和哥本哈根解釋的艱巨過程中，玻爾所起的指導作用會永遠載入物理學的史冊。另外，他還是新力學的強有力的支持者，但這使他卷入一場與愛因斯坦畢生的學術爭論中。物理學家為這場爭論感到幸運，因為爭論的每一個回合都使人們對量子力學的本質有了更深入的了解。
玻爾發展了複合原子核的理論，而且從複合原子核和原子核的液滴圖像出發，結合統計物理的方法，建立了原子核裂變的理論。這又是一個開創性的工作，對後來原子能的應用所起的作用是十分重要的。
１９４３年，在納粹占領下的丹麥，玻爾麵臨作為人質被逮捕的危險，便不得不逃離丹麥，經過瑞典轉去英國和美國，並且馬上參加了製造原子彈的工作。在原子彈尚未試驗之前，玻爾就看到原子武器可能給人類文明帶來的災難。他指出，如果原子能掌握在世界上愛好和平的國家手中，這種能量就能保障世界的持久和平；假如它被濫用，就會導致文明的毀滅。
戰後，玻爾回到飽經劫難的丹麥，他為恢複丹麥的科學事業努力工作著，為維護世界和平他利用原子能進行呼籲，為促進各國科學之間的國際合作他不斷奔走呼告。他是目前歐洲最大規模的國際合作組織歐洲原子核研究中心的發起人之一。