Учебу Нильс начал в Гаммельхольмской грамматической школе, которую окончил в 1903 году. Любил спорт – в школьные годы был заядлым футболистом; позднее увлекался катанием на лыжах и парусным спортом. В двадцать три года окончил Копенгагенский университет, где приобрел репутацию необыкновенно одаренного физика-исследователя. Дипломный проект Нильса Бора, посвященный определению поверхностного натяжения воды по вибрациям водяной струи, был удостоен золотой медали Датской королевской академии наук.
В 1908—1911 Бор продолжил работу в университете, где выполнил целый ряд важнейших исследований, в частности по классической электронной теории металлов, составившей основу его докторской диссертации.
Через три года после окончания университета Бор приехал работать в Англию. После года пребывания в Кембридже у Джозефа Джона Томсона Нильс Бор перебрался в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, лаборатория которого в то время занимала лидирующее положение. Здесь ко времени появления Бора проходили эксперименты, которые привели Резерфорда к планетарной модели атома.
Бор, начав у Резерфорда с физики ядра, постоянно уделял ядерной тематике большое внимание.
В 1927 году Бор дал формулировку важнейшего принципа – принципа дополнительности, утверждающего невозможность при наблюдении микромира совмещения приборов двух принципиально различных классов, соответственно тому, что в микромире нет таких состояний, в которых объект имел бы одновременно точные динамические характеристики, принадлежащие двум определённым классам, взаимно исключающим друг друга. Это в свою очередь обусловлено тем, что не существует таких наборов классических объектов (измерительных приборов), в связи с которыми микрообъект обладал бы одновременно точными значениями всех динамических величин.
В 1936 году он предложил теорию составного ядра, вскоре – капельную модель, которая сыграла заметную роль при исследовании проблемы деления ядер. Бор предсказал спонтанное деление ядер урана.
В 1939 году совместно с Дж. А. Уилером он развил теорию деления ядер – процесса, в котором происходит освобождение огромных количеств ядерной энергии.
После прихода к власти в Германии нацистов Бор принял активное участие в устройстве судеб многих учёных-эмигрантов, которые переехали в Копенгаген.
В 1933 году усилиями Нильса Бора, его брата Харальда, директора Института вакцин Торвальда Мадсена и адвоката Альберта Йоргенсена был учреждён специальный Комитет помощи учёным-беженцам.
