Химик. В 1953-58 учился на химическом факультете МГУ. Дипломную работу «Реакции диенового синтеза в ряду фурана» выполнил на кафедре органической химии под руководством профессора Ю.К. Юрьева; получил диплом с отличием. Младший научный сотрудник (1958-1961); ассистент (1961-1965), доцент (1965-1968), старший научный сотрудник (1968-1971), зав. лабораторией химии гетероциклических соединений (1971-1973), зав. кафедрой органической химии (с 1994) химфака МГУ. В 1961 защитил кандидатскую диссертацию "Новые реакции заместительного присоединения в ряду фурана» (руководитель Ю.К.Юрьев) а в 1966 – докторскую диссертацию "Исследования в области 7-оксабицикло-[2.2.1]-гептана, гептена и гептадиена". Избран членом-корреспондентом АН СССР (1981), затем академиком (1987) за работы в области органического синтеза и теоретической органической химии. С 1986 зав. лабораторией математической химии и компьютерного синтеза Института органической химии РАН им. Зелинского; с 1989 директор Института физиологически активных соединений РАН (ИФАВ РАН).
Осуществил синтез разнообразных полициклических и каркасных структур, ранее неизвестных или труднодоступных (гетероадамантаны, дигомокубаны, бицикло[3.3.1]нонаны, трициклодеканы), разработал методы синтеза многих гетероциклических соединений (например, в ряду оксаадамантанов и фуранов и т.д.). Открыл новый класс спироциклопропановых структур (триангуланы) и разработал общие методы синтеза цепных, разветвленных и циклозамещеных триангуланов; открыл явление конкурентного ковалентного связывания нуклеофугных анионов в карбокатионных процессах, что привело к открытию десятка новых реакций сопряженного присоединения, раскрытия эпоксидного цикла и окислительного деиодирования, введению в практику органического синтеза многих новых реагентов, таких как m-оксодифенилиодозотрифлат (реагент Зефирова), хлорсульфат хлора, серии реагентов на основе трехвалентного иода; синтезу труднодоступных классов соединений, таких как ковалентные перхлораты и фторсульфаты. Разработал метод активации слабых электрофилов (SO3-модифицированное электрофильное присоединение), что привело к развитию новых синтетических методов.
Проводил исследования в области конформационного анализа и динамической стереохимии. Открыл новые конформационные эффекты: эффект «хоккейных клюшек», эффект координационной стабилизации неустойчивых конформаций, эффект существования ваннообразных конформаций дигетеробициклононанов. В процессе изучения стереохимии и региоселективности реакций электрофильного присоединения открыл явление увеличения эффективной электрофильности слабых электрофилов ("допинг-присоединение"). Создал концепцию стереоконтроля в реакциях, протекающих по ион-парному механизму.
В 1984 в Госреестр внесено открытие под номером 293, сделанное Зефировым (в соавт. с В.В.Жданкиным, В.Н.Кириным и А.С.Козьминым): «Экспериментально установленное неизвестное ранее нуклеофильное свойство анионов нуклеофугного типа (например, перхлорат- или замещенных сульфонат-анионов) образовывать связи с карбокатионами в присутствии нуклеофилов». Впоследствии показал, что найденные закономерности – новые принципы реакции присоединения, которые могут иметь не только теоретическое, но и практическое значение, в частности для создания катализаторов различных химических процессов.
В настоящее время работает в области математической химии, компьютерного синтеза и медицинской химии. Разработал общие принципы генерации органических структур и реакций с помощью ЭВМ, создал оригинальные программы компьютерного синтеза, разработал формально-логический подход к описанию органических реакций, применил его для классификации реакций и поиска новых химических реакций.
В МГУ читал курсы «Химия гетероциклических соединений», «Физико-химические методы исследования в органической химии», »Органический синтез», в настоящее время читает курсы «Теория молекулярных орбиталей в органической химии», «Введение в специальность», «Компьютерное молекулярное моделирование и QSAR» для студентов и аспирантов химического факультета. Глава научной школы. Под его руководством защищено св. 50 кандидатских диссертаций, св. 20 учеников стали докторами наук. Инициировал открытие на химфаке МГУ новой специализации – медицинской химии.
Президент Российского общества медицинской химии, член Химического общества им. Д. И. Менделеева (в 1974-1991 – председатель секции органической химии), член Американского химического общества.
Член редколлегий ведущих международных химических журналов: Журнал органической химии (1981 - 1991); «Sulfur Reports» (1979 - по н/в); «Sulfur Letters» (1979- по н/в); «Tetrahedron Asymmetry» (1990 - по н/в); «Match» (1991 - по н/в); «Physical Organic Chemistry» (1987-1995); «Химия гетероциклических соединений» (1981-по н/в); «Synthesis» (1990 - по н/в); «Tetrahedron» (1991- по н/в); «Tetrahedron Letters» (1991 по н/в) и ряда др.. Зам. директора издательского дома «Химическая энциклопедия» (1986 - по н/в). Автор св. 1000 научных трудов.
Награжден Российским «Орденом Дружбы», орденом «Знак почета» и др. Лауреат премии им. Ломоносова (1983), премии им. Бутлерова (1994), двух Государственных премий (1989, 2001).
Соч.: Зефиров Н.С., Казимирчик И.В., Лукин К.А. Циклоприсоединение дихлоркарбена к олефинам. М., 1985; Зефиров Н.С., Шестакова Т.Г., Кирпиченок М.А. Химия гексахлорциклопентадиена и родственных соединений. М., 1985;
Зефиров Н.С., Геваза Ю.И. и др. Электрофильная внутримолекулярная циклизация олефинов. Киев, 1990.
Лит.: Академик Н.С.Зефиров // ЖОрХ, 2000, № 9.