Nachdem er sein Studium der Physik, Chemie und Astronomie mit einer Doktorprüfung beendet hatte, ging er 1911 nach England. In den 1920er-Jahren war er oft an der Universität Göttingen zu Gast. Seine Vorträge dort im Sommer 1922 sind als "Bohr-Festspiele" in die Wissenschaftsgeschichte eingegangen. Gemeinsam mit Kollegen entschlüsselte Niels Bohr den Aufbau der Materie und legte den Grundstein der Quantenmechanik. Dank dieser Fortschritte ließ sich endlich erklären, wie Sterne über Kernfusion Energie gewinnen und wie Materie im All leuchtet.

Nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten half er vielen Kollegen aus Physik, Mathematik und Astronomie, etwa James Franck, Hans Bethe und Otto Frisch, Deutschland zu verlassen. Zudem hat Niels Bohr sie dabei unterstützt, eine Anstellung in Dänemark oder in den USA zu erhalten.

Als nach der Besetzung Dänemarks durch deutsche Truppen die Deportation der dänischen Juden drohte, floh er Ende September 1943 nach Schweden. Dort eilte er nach Stockholm, um den schwedischen König Gustav den Fünften über die Gefahr zu informieren und um Aufnahme der zu erwartenden Flüchtlinge zu bitten.

1962 ist Niels Bohr im Alter von 77 Jahren in Kopenhagen gestorben. Nach dem Mann, der geholfen hat, das Leuchten der Sterne zu erklären, heißen ein Krater ganz am linken Rand der Mondscheibe – und ein kleiner Asteroid.