Djokovic, 29, svepte förbi sjunde frö Tomas Berdych 6-3 7-5 6-3 som han ber att vinna sin första titel på Roland Garros och slutföra karriären Grand Slam.
Williams, 34, fick ett svårt test av Kazakstans Yulia Putintseva, som kom igenom 5-7 6-4 6-1.
Amerikanen försöker vinna sin 22:a Grand Slam titel och lika Steffi Graf.
Hon kommer att spela Kiki Bertens under de sista fyra på fredag, efter den ofröade holländska spelaren sågade off schweiziska åttonde fröet Timea Bacsinszky 7-5 6-2.
Djokovic kommer att möta österrikisk 13:e frö Dominic Thiem, som slog belgiska 12:e frö David Goffin 4-6 7-6 (9-7) 6-4 6-1 för att nå sin första Grand Slam semifinal.
Storbritanniens Andy Murray kommer att ta på Stan Wawrinka av Schweiz i de andra männens semifinal på 14:00 BST.
Williams tittade på mycket av sin kvartsfinal en dyster eftermiddag, med en gles publik på Court Philippe Chatrier.
Mästaren var i djupa problem efter ett felstrewn set och en halv, med 5ft 4i Putintseva mer än att hålla sig från baslinjen och flytta mycket bättre i tunga förhållanden.
Williams gjorde 24 otvingade fel i den första uppsättningen till bara två från sin motståndare, som aldrig hade passerat den tredje omgången av en Grand Slam innan denna vecka.
Putintseva kom sedan tillbaka från 4-1 ner i den andra uppsättningen för att tjäna en paus vid 4-4 som kunde ha sett henne tjäna för seger, men Williams höll på och slutligen började utöva viss kontroll.
Hon arbetade sig fram till en 5-0 ledning i beslutsfattaren, bara för Putintseva att visa ytterligare en flash av trots genom att spara tre matchpoäng innan slutligen duke.
"Hon är otrolig och jag trodde inte att jag skulle vinna det men på något sätt gjorde jag", sade Williams.
Djokovic hade vunnit 23 av sina tidigare 25 matcher mot Berdych av Tjeckien, och var aldrig allvarligt hotad efter att ha börjat sitt 26: e möte i befallande mode.
Berdych vädjade till tjänstemän att vidta åtgärder när regnet, som har ihärdigt denna turnering, återvände - men den närmaste Djokovic kom till en kvartsfinal utgång var en potentiell diskvalificering i den tredje uppsättningen.
Han lät sin racket glida ur handen medan han ilsket svepte mot marken och blev lättad över att få bara en kodöverträdelse eftersom den snävt missade en linjedomare.
"Jag är medveten om att jag har haft tur", sade han. "Det var bara en olycklig studs, men lyckligt slut av scenariot. Det är allt jag kan säga."
Djokovic var redan två uppsättningar efter att ha dominerat i en och en halv timme, och några ögonblick senare återhämtade han Berdyks tidiga paus i den tredje uppsättningen.
Berdych beskrev turneringsregissörens tvekan att sluta spela när regnet blev tyngre som "en absolut cirkus", men förseningen varade lite över 10 minuter och Djokovic slog snart in segern på återupptagandet.
BBC tennis korrespondent Russell Fuller
"Djokovic har klarat sig mycket bra med den hand han fått den här veckan. Spelar för tredje dagen i rad, och i vetskap om att han kommer att vara tillbaka i aktion på fredag, han var mycket skarp hela mot Berdych. Djokovic var också lyckligt lottad, att linjedomaren såg hans racket komma och kliva ur vägen, eftersom han kunde ha diskvalificerats om racketen hade fått kontakt.
"Williams rörde sig mycket trögt i sin kvartsfinal. Många åskådare var insvepta i filtar för att skydda sig mot kylan, och de tre andra kvinnorna som blev kvar i dragningen borde ta ett stort hjärta från det sätt på vilket den gnistrande Putintseva satte världens nummer ett under så stor press."
Toppfröna Novak Djokovic och Serena Williams är kvar på rätt kurs för att skapa historia då de båda nådde semifinalen på Franska Öppna.