Главным делом всей жизни А. М. Бутлерова стала революционная для того времени 
теория химического строения органических веществ, которой он занимался долгие годы сам и вместе со своими учениками и последователями. В своей теории великий химик утверждал, что свойства органических соединений зависят не только от химических элементов и их количества, но и от структуры молекулы, то есть от того, как атомы связаны между собой. Его теория объяснила существование изомеров — соединений с одинаковым химическим составом, но с разным строением или расположением атомов в пространстве.
Правильность любой теории проверяется на практике. Подтверждением структурной концепции строения органических веществ Бутлерова стало получение в 1863-м году четырех изомеров бутилового спирта, один из которых был синтезирован непосредственно самим ученым. Кроме этого, Бутлеров на основе своей теории предсказал существование, свойства и поведение в химических реакциях изобутилена, двух бутанов, трёх пентанов.
В дальнейшем Александр Михайлович открыл и дал объяснение явлению таутомерии изомеров, введя в химическую науку понятие динамической изомерии. Сегодня именно таутомерия по Бутлерову является общепризнанной и заключается в том, что некоторые изомеры могут легко превращаться друг в друга, находясь в смеси в равновесном соотношении друг с другом.
Теория Бутлерова быстро завоевывала признание в международном ученом сообществе. Учебник с изложением его теории, законченный в 1866-м году, почти сразу же был переведен на все основные языки Европы.
В 1868-м году Бутлерову была присуждена Ломоносовская премия и по представлению Менделеева он был избран профессором химии Петербургского университета. Менделеев особо отмечал оригинальность трудов ученого, который развивал свои собственные идеи, а не идеи предшественников, а также то, что Бутлерову удалось создать свою химическую школу и оказать заметное влияние на развитие не только русской, но и мировой науки.
Чтобы показать, каким уважением и авторитетом пользовался Александр Михайлович, можно привести следующий факт: когда ему полагалась отставка по выслуге лет, университетский Совет дважды просил его остаться еще на пять лет. Последнюю лекцию ученый прочел всего за год до своей смерти.
Вклад А. М. Бутлерова в развитие отечественной химической науки невозможно 
переоценить. Он участвовал в создании российских химических школ ученых в Казани, Москве и Петербурге, воспитал более десятка учеников, ставших видными химиками, открыл множество новых химических реакций и соединений, синтезировал уротропин, триоксиметилен, этилен и этанол, третичные спирты, динзобутилен и многие другие вещества, важные для науки, промышленности и медицины. Он занимался исследованием явления полимеризации. На основании его работ другой знаменитый русский химик, С. В. Лебедев, разработал способ промышленного синтеза искусственного каучука.
Бутлеров еще при жизни избирался почетным членом многих научных обществ в России и за рубежом. В его честь назван кратер на Луне; улицы в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Киеве и других городах. Ему установлены памятники в Казани и Москве. В Казани на основе химического факультета университета создан Химический институт им. А. М. Бутлерова.