Родился 3 сентября 1828 года в Чистополе, в семье офицера в отставке. Учился в частном пансионе Топорнина, затем в 1-й Казанской гимназии. Был студентом Казанского университета «разряда естественных наук». Будучи любителем ботаники и зоологии, выпускал журнал «Пчеловодный листок». В 1849 году написал дипломную работу «Дневные бабочки волго-уральской фауны». В 1854 году защитил диссертацию на степень доктора химии. В 1861 году представил знаменитый доклад «О химическом строении вещества». Был ректором Императорского Казанского университета в период с 1860 по 1863 гг. В 1868 получил Ломоносовскую премию и был избран профессором химии Петербургского университета. В 1878-1882 гг. был председателем отделения химии Русского физико-химического общества. Был женат на Надежде Михайловне Глумилиной. Умер 17 августа 1886 г. в деревне Бутлеровке Казанской губернии.
Бутлеров — создатель теории химического строения вещества («структурной теории»), что положила начало синтетическому образованию новых органических соединений и легла в основу современной органической химии. Она раскрыла связь свойств вещества с существованием устойчивой и специфичной для каждого вида веществ упорядоченности химических взаимодействий атомов в молекулах. За годы работы стал Почётным членом многих научных обществ России и зарубежья. Внес существенный вклад в развитие высшего образования для женщин в России, участвовал в организации Высших женских курсов в 1878 году. Также оставил значительный след в становление пчеловодства и садоводства, организовал Русское общество акклиматизации животных и растений. Оставил после себя наследие – Казанскую, Петербургскую и Московскую русские химические школы, которые внесли значительный вклад в мировую науку.