Родился в Твери в семье служащего. Окончил Калининский педагогический институт, 1928. Директор Института химии АН БССР, 1933-1938, одновременно заведующий кафедрой химии БГУ и кафедрой биологической химии Белорусского (Минского) медицинского института, 1933-1935. Присвоено ученое звание профессора, 1933; присуждена ученая степень доктора химических наук, 1935; заведующий кафедрами органической химии Пермских педагогического и сельскохозяйственного институтов, 1946-1967. Избран академиком АН БССР, 1966; директор Института физико-органической химии АН БССР, 1967-1972; заведующий лабораторией органического катализа института, 1972-1979.
С первых лет научной деятельности ведущими стали исследования в области синтеза органических соединений и изучение механизма действия гетерогенных и гомогенных катализаторов («Каталитический синтез хинальдина», 1935). Работал над проблемой каталитической конденсации ацетилена; синтезировал хлоропреновый каучук (с соавт.), новые физиологически активные вещества, цианиновые красители, антистатики для полимеров.
Разработал реакцию гидроаминирования органических веществ новыми азотистыми соединениями. Предложил новый способ синтеза гетероциклических соединений («5,6-Бензохинолины», 1970; «Гетерогенный катализ в реакциях получения и превращения гетероциклических соединений», 1971), вошедший в научную литературу как «реакция Козлова».
Получили широкое внедрение в химической промышленности страны научно обоснованные предложения по алюмоплатиновым катализаторам риформинга нефти и антистатикам («Химия промышленных нефтей Белоруссии», с соавт., 1972; «Катализаторы риформинга», с соавт., 1976). Исследовал каталитические свойства отдельных соединений («Каталитические свойства соединений редкоземельных металлов», с соавт., 1977; «Ультростабильные цеолиты», с соавт., 1979).
Награжден 3 орденами, медалями. Присуждено почетное звание заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, 1965.
Похоронен в Минске на кладбище по Московскому шоссе.
- Скригин А. И. Николай Семенович Козлов //Весщ АН БССР. Серия хШч. навук. - 1967. -№. 2. С. 124-127.
- Казлоу Мталай Сяменав'т, беларуст савецш хг- мж-аргатк //БелСЭ. - Мн., 1972. - Т. 5. - С. 231-232.
- Козлов Николай Семенович //Белорусская ССР: Краткая энциклопедия. - Мн., 1982. - Т. 5: Биографич. справочник. — С. 304-305.