Вениамин Петрович родился в семье выдающегося путешественника и географа П. П. Семенова. С детства отец привил ему интерес к географии, изучению природы и общества. В 1893 году Вениамин Семенов (приставку к фамилии П. П. Семенов и его дети получили в 1906 г.) окончил естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета по кафедре геологии и палеонтологии. Вскоре В. П. Семенов занялся научной работой (геологические исследования на Северо-Западе, на Алтае, в Казахстане и др.) и забросил подготовку к преподавательской деятельности.
В 1895—1897 гг. В. П. Семенов принимал участие в первой всероссийской переписи населения в качестве секретаря главной переписной комиссии. Затем был младшим редактором Центрального статистического комитета, служил в статистическом отделении канцелярии товарища министра финансов, а в 1905—1917 гг. был начальником статистического отделения в министерстве финансов и промышленности.
На основе анализа и систематизации статистического материала В. П. Семеновым-Тян-Шанским были подготовлены к изданию (совместно с отцом и В. И. Ламанским) книги «Россия. Полное географическое описание нашего отечества…» (вышли в свет 11 томов из 22 запланированных). В 1900-х выходит в свет фундаментальная работа В. П. Семенова-Тян-Шанского «Торговля и промышленность Европейской России по районам» (11 томов), содержащая подробное описание каждого из 1065 выделенных районов и детальную экономическую карту. В 1910 году была опубликована книга «Город и деревня Европейской России», в которой были подробно проанализированы зональные типы сельского расселения (в зависимости от природных условий), дана характеристика городов в зависимости от их людности и торгово-промышленного оборота.
После начала Первой мировой войны и событий 1917 года издание научных работ стало проблематичным и Вениамин Петрович сосредоточился на преподавательской работе:
На основе лекционных курсов в 1928 году была издана работа «Район и страна», в которой были обобщены подходы В. П. Семенова-Тян-Шанского к районированию. Он предлагал выделять т. н. ключи — узлы территории, которые являются центрами притяжения населения и влияют на экономический облик страны. Характер же окружающей их зоны тяготения определяется природными условиями, к которым адаптируется сельское хозяйство и сельское расселение.
С 1922 года В. П. Семенов-Тян-Шанский начинает работу над изданием 110-листной карты плотности населения Европейской России, в которой должен был использоваться дазиметрический метод картографирования (определение плотности по фактическому сгущению населенных пунктов и их людности, а не по каким-либо условным территориальным единицам). С начала 1930-х годов исследования в этой области, которые могли вскрыть демографические последствия коллективизации, оказались под запретом. Формальным предлогом к началу репрессий против ученого была его принадлежность к антропогеографии, которая в вульгарной трактовке официальных кругов того времени сводилась исключительно к геополитике и соответствующими работам немецких авторов и была запрещена как научное направление. Несмотря на то, что последняя работа по геополитике была написана В. П. Семеновым-Тян-Шанским в 1915 году, а исследование политических вопросов в лекционнных курсах профессора носило сугубо теоретический характер, его имя оказалось включено в список «прорабатываемых» ОГПУ ученых.
В 1932 году В. П. Семенов-Тян-Шанский был вынужден оставить преподавательскую деятельность и целиком сосредоточил усилия на организации Географического музея в Санкт-Петербурге, который, по его замыслу, должен был способствовать популяризации науки и давать наглядное представление о территориальном разнообразии природы и общества. Общее количество экспонатов музея превышало 16000 наименований, а часть картин для него была нарисована лично В. П. Семеновым-Тян-Шанским. Также в это время он ведет активную деятельность в Русском географическом обществе, направленную на сохранение академических традиций географии.
В обстановке стремительной политизации науки, к середине 1930-х преследование всех «несоветских» научных течений внутри географии переходит на новый уровень. В написанной в 1935 году докладной записке УНКВД (текст) Географический музей и Центрографическая лаборатория, занимавшаяся составлением дазиметрических карт, подозреваются в «дискредитации всего хозяйственного строительства в СССР». В 1936 году критика в адрес В. П. Семенова-Тян-Шанского появляется в широкой печати и вскоре он был вынужден уйти в отставку. Это, однако, не спасло музей от закрытия. Та же судьба постигла и лабораторию центрографии, успевшую опубликовать всего 47 карт из планировавшихся 110.
Вениамин Петрович Семенов-Тян-Шанский умер в блокадном Ленинграде в феврале 1942 года, отказавшись от эвакуации. Его сын Владимир сколотил из письменного стола гроб и похоронил отца на Богословском кладбище.
Помимо фундаментальных работ по страноведению и описанию территории России, В. П. Семенов-Тян-Шанский внес большой вклад в развитие теоретической базы географической науки. Он впервые применил для исследований расселения математические методы (дазиметрические карты), обогатил теорию и практику экономико-географического районирования (метод «ключей», микрорайонирование), считается первым отечественным теоретиком политической географии. В. П. Семенов-Тян-Шанский был сторонником единой географической науки, уделял большое внимание природному фактору в хозяйственной жизни людей, выступал с инициативами по организации охраны особо ценных объектов природного и культурного наследия.