Futbola Özçamdibispor'da başladı. 16 yaşında Fenerbahçe'nin altyapısına transfer oldu ve ilk profesyonel sözleşmesini imzaladı.
Süper Lig'in 2000-01 sezonunun ikinci devresinde teknik direktör Mustafa Denizli tarafından A takıma alındı. Fenerbahçe'de ilk resmi maçı, 17 Şubat 2001 tarihinde oynanan Siirtspor-Fenerbahçe Turkcell Süper Lig maçıdır. Bu maçta son 15 dakikada oynamıştır.
Süper Lig 2007-2008 sezonunda 17 golle gol krallığına ulaştı. Fenerbahçe'nin 26 Temmuz 2007 tarihinde yardımcı kaptanlığını üstlendi. Semih Şentürk, 8 Mart 2009 tarihinde oynanan Kayserispor-Fenerbahçe maçında takımının ilk golünü atarak Kadir Has Stadyumu'nda ilk gol atan futbolcu olarak tarihe geçmiştir. 2009-2010 sezonunu ise yedek kulubesinde geçirmiştir.
2011-12 sezonu itibari ile Fenerbahçenin Türkiye Kupasında Cemil Turan ile birlikte en çok gol atan oyuncusu olmuştur(19 gol).
Yedek kulübesinden gelerek attığı kritik goller nedeniyle "Nöbetçi Golcü" lakabıyla bilinir. Semih 13 Ocak 2013'te oynanan 1461 Trabzon maçında attıgı gol ile Fenerbahçe tarihinde Türkiye Kupası'nda en çok gol atan oyuncu olmayı başarmıştır.(20 golle).
Semih 10 Şubat 2013 tarihinde oynanan Mersin İdman Yurdu karşılaşması ile Süper Lig kariyerindeki 200. maçına çıktı.
115 kez Türk Milli Takımlarına çağrılan Semih Şentürk, 4 kez Türkiye U-15, 27 kez Türkiye U-16, 18 kez Türkiye U-17, 4 kez Türkiye U-18, 3 kez Türkiye U-19, 6 kez Türkiye U-20, 19 kez Türkiye U-21, 1 kez Türkiye A-2 forması giymiştir. Semih Şentürk bu sayede, Türkiye Milli Futbol Takımları'nın erkekler klasmanında tüm yaş gruplarında forma giymiştir.
A Milli Takım formasını ise ilk kez 17 Kasım 2007 tarihinde 2008 Avrupa Futbol Şampiyonası elemeleri grup maçı olan Norveç-Türkiye müsabakasında giymiştir.
20 Haziran 2008'de oynanan EURO 2008 çeyrek final karşılaşmasında 119. dakikada Hırvatistan'ın attığı gole 120+2 de cevap vererek, Türkiye Milli Futbol Takımı'nın penaltılarla yarı finale çıkmasını sağlamıştır. Penaltılar 3-1 bitmiş ve kendisi de 1 penaltıyı gole çevirmiştir. Euro 2008'de Almanya maçında Türkiye'nin ikinci golünü atmış ancak, A Milliler turnuvadan elenmiştir. Euro 2008'de milli takımın en çok gol atan futbolcusudur (3 Gol). Euro 2008'de gol krallığında ikinci olmuştur.
Santiago Bernabeu Stadyumu'nda Türkiye'nin İspanya'ya 1-0 yenildiği maçın rövanşında Ali Sami Yen'de tek golü o atmıştır.
