Уже в Казанском университете преподаватели 
обратили внимание на студента, отличавшегося выдающейся памятью, работоспособностью и тягой к наукам. Особенно Зинин выделялся на фоне детей обеспеченных родителей, которых большей частью интересовал диплом, а не научные исследования. Первая научная тема Зинина — по астрономии, посвященная движению планет под влиянием других небесных тел, заслужила золотую медаль. Сам Зинин предполагал заниматься математикой и физикой, но университету нужен был преподаватель химии, поэтому для магистерской диссертации ему дали тему по теоретической химии. Ректор университета и преподаватель математики Н. И. Лобачевский убедил молодого человека, что из него получится отличный химик. Николай восхищался своим великим учителем, поэтому не смог ему отказать. Так Россия получила выдающегося химика и основателя научной школы.
 |
 |
 |
| Метиловый оранжевый | Эриохром черный Т "ЧДА" | Хромовый темно-синий индикатор фасовка 50 грамм |
В 1837-м году по инициативе попечителя университета М. Н. Мусина-Пушкина Зинина отправили изучать химию к ведущим ученым Европы. В Гессене молодой человек влился в дружный коллектив стажеров, работавших под руководством знаменитого Юстаса Либиха. Атмосфера творчества увлекла Зинина, он исследовал свойства бензойной кислоты, и уже спустя несколько месяцев добился первых успехов. Ему удалось открыть простой способ превращения бензальдегида в бензоин. Отчет об этой реакции, размещенный в «Анналах Либиха», стал первой публикацией Зинина. Второй статьей в этом же журнале стало исследование о бензойной кислоте и ее соединениях. Изложения этих двух работ на русском языке хватило для докторской диссертации, защищенной в Петербурге.
В Казани Николай Николаевич продолжил работы, начатые еще под руководством Либиха. Изучал состав органических веществ методом сжигания, разработанный немецким ученым. Исследовал взаимодействия производных бензола с сероводородом. Ожидая получить серосодержащее соединение, очень удивился, что в новом веществе не было даже следов серы. Маслянистая жидкость по запаху очень напоминала анилин, с которым он познакомился у другого химика. Послав тому образец жидкости на анализ, он получил ответ, что анилин и вещество, полученное из нитробензола и сероводорода, идентичны. Так Зинин совершил свое самое большое открытие — получил анилин доступным и дешевым химическим синтезом. До этого реактив получали из дорогого природного сырья, и промышленного значения он не имел. Статья Зинина о получении анилина химическим путем была опубликована в большинстве солидных химических изданий Европы. Российская химия встала вровень с химией других развитых стран.
Сейчас метод получения ароматических аминов из нитросоединений и сероводорода называют «реакцией Зинина». На ее основе был разработан метод производства анилиновых красителей в промышленных масштабах. Продолжая свои исследования, ученый открыл общий способ получения аминов и производных из орг. нитросоединений. Этот способ стал основой для массового производства искусственных азокрасителей, душистых веществ, лекарственных препаратов.
Изучение свойств нитроглицерина вместе с военным инженером В. Ф. Петрушевским привело к разработке безопасного промышленного метода его производства. После нападения войск Турции, Франции и Англии на Крым Зинин активно добивался использования армией усиленной взрывчатки на основе нитроглицерина. К сожалению, его предложения приняты не были и лишь значительно позже нитроглицерин стали использовать для взрывных работ под землей и под водой.
Среди других наиболее значимых работ Н. Н. Зинина стоит отметить открытие уреидов, синтез синтетического горчичного масла и преобразование его в тиомочевину.
Зинин был почетным членом многих русских и 
зарубежных академий, университетов, научных сообществ. Ученый-химик А. Гофман, создатель немецкой анилинокрасочной индустрии, однажды сказал: «Если бы Зинин не научил нас ничему более, кроме превращения нитробензола в анилин, то и тогда его имя осталось бы записанным золотыми буквами в историю химии».