17 Eylül 1999'da profesyonelliğe geçti. 1999-2000 sezonunda İzmir Özçamdibispor amatör takımından Fenerbahçe PAF takımına transfer edildi.
2000-2001 sezonunun ikinci devresinde teknik direktör Mustafa Denizli tarafından A takıma alındı. Fenerbahçe'de ilk resmi maçı, 17 Şubat 2001 tarihinde oynanan Siirtspor-Fenerbahçe, Süper Lig maçıdır. Bu maçta son 15 dakikada oynamıştır.
Semih Şentürk, 8 Mart 2009 tarihinde oynanan Kayserispor-Fenerbahçe maçında takımının ilk golünü atarak Kadir Has Stadyumunda ilk gol atan futbolcu olarak tarihe geçmiştir
2009-2010 sezonunu ise yedek kulubesinde geçirmiştir. Yedek kulübesinden gelerek attığı kritik goller nedeniyle "Nöbetçi Golcü" lakabıyla bilinir.
15 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 Millî Futbol Takımları'nın erkekler klasmanında tüm yaş gruplarında forma giymiştir.
A Millî 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 Millî 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.
13 Aralık 2006 tarihinde 2-2 biten, Fenerbahçe – Eintracht Frankfurt UEFA Kupası Grup 4. maçında, 75. dakikada oyuna girip, 79. dakikada ilk sarı kartını görüp, 82. dakikada Fenerbahçe’ye bir üst tura geçmesini sağlayan beraberlik golünü röveşata ile atan ve 90+1. dakikada ikinci sarı kartını gören Semih, hakemin kırmızı kart vermeyi unutması üzerine oyun başladıktan sonra yaklaşık 20 saniye daha oyunda kalmıştır. Ardından hakemi uyararak kırmızı kart görmesini sağlamış ve Fenerbahçe’nin aleyhine olabilecek olası bir maç tekrarını engellemiştir.
2001-2002 sezonunda İzmirspor’a kiralık olarak gitti. 17 Aralık 2005'te oynanan ve 4-0 kazanılan Türkiye Süper Liginin 17. haftasındaki Fenerbahçe-Denizlispor karşılaşmasında 4 gol birden atarak Fenerbahçe’nin lig tarihinde bir maçta 4 veya daha fazla gol atan 31. futbolcusu oldu.
2007-2008 sezonunda 17 golle gol krallığına ulaştı. 6 Ağustos 2008 tarihinde Fenerbahçe’nin MTK Budapeşte’yi 5-0 yendiği UEFA Şampiyonlar Ligi ikinci ön eleme maçında 4 gol atarak Fethi Heper’e ait olan “bir Avrupa Kupası maçında en fazla gol atan Türk futbolcusu” unvanını egale etti, Şampiyonlar Ligi’nde bir maçta 4 gol atan ilk Türk futbolcu oldu.
emih Şentürk Turkcell Super Lig 2008-09 sezonunun 7.haftasında oynanan Kocaelispor-Fenerbahçe maçına çıkarak Fenerbahçe formasıyla Süper Ligdeki 100. maçına çıkmıştır ve bu maçta 1 gol atmış ve 1 Asist yapmıştır.