С 1935 Заведовал лабораторией института органической химии АН СССР.
В 1886 Окончил Московский университет; начал научную деятельность под руководством В. В. Марковникова; под его руководством защитил дипломную работу «О декстринах».
1886—1887 В качестве вольнослушателя Московского униврситета занимался технической химией у проф. Н. Н. Любавина и агрономическим анализом у проф. Н. Е. Лясковского.
1887 Поступил ассистентом проф. Г. Г. Густавсона в Петровской лесной и земледельческой академии (ныне — Тимирязевская сельскохозяйственная академия), в которой работал до конца жизни.
1894 Профессор Петровской академии.
1895 Защитил магистерскую диссертацию «О действии азотистой кислоты на три-, тетра- и пентаметилендиамины и о метилтриметилене» (Санкт-Петербургский университет).
1899 Защитил докторскую диссертацию «О действии азотного ангидрида и азотноватой окиси на углеводороды этиленового ряда» (Московский университет).
1924 Избран членом-корреспондентом АН СССР.
1929 Избран академиком АН СССР.
С 1935 Заведовал лабораторией института органической химии АН СССР.
1895 Разработал общий метод получения нормальных предельных гликолей, непредельных алкоголей и изомерных им окисей g- и d-рядов.
1899 Выяснил, что при действии N2O5 на непредельные углеводороды получаются азотные эфиры гликолей, а также продукты присоединения N2O3, N2O4 и N2O5.
1902—1903 Открыл реакцию изомеризации алициклических соединений с увеличением цикла (перегруппировка Демьянова), вошедшую затем во все учебники органической химии и имевшую как теоретическое (для изучения динамики химических превращений и стереохимии), так и важное практическое значение (позволяла синтезировать соединения, трудно доступные другими способами).
1920-е гг. Показал, что в результате изомеризации алициклов в зависимости от природы заместителей возможны перегруппировки как с расширением, так и с сужением цикла.
Впервые получил и подробно изучил метилциклопропан.
Работал в области агрономической химии, химии растительных веществ, исследовал азотсодержащие органические соединения. В годы Первой мировой войны под его руководством в лаборатории Сельскохозяйственной академии велась разработка методов синтеза лекарственных веществ, в частности был разработан метод производства новокаина.