Родился в г. Чистополе. Русский химик, академик Петербургской Академии наук. В 1849 г. окончил Казанский университет. В 1849–1868 гг. работал в Казанском университете, в 1860 и 1863 гг. – ректор. С 1868 г. – профессор Петербургского университета.
Бутлеров – основоположник теории химического строения органических соединений, создатель крупнейшей школы химиков-органиков, в которую вошли ученые В.В. Марковников, Д.П. Коновалов, А.Е. Фаворский и другие. В 1861 г. впервые сформулировал положения теории строения органических соединений, её разработка проложила основные пути развития органической химии XIX–XX вв. Бутлеров ввел понятие о химическом строении молекул, обосновал идею о взаимном влиянии атомов в молекуле, объяснил изомерию многих органических соединений. Провел большое число экспериментов, подтверждающих выдвинутую им теорию: синтезировал и установил строение третичного бутилового спирта, изобутана и изобутилена. Бутлеров установил способность изобутилена к полимеризации и предсказал будущее полимеризации – «одной из самых замечательных синтетических реакций».
Изучал историю химии, автор книги «Введение к полному изучению органической химии» – первого в истории науки руководства, написанного на теории химического строения. Интересовался вопросами биологии, сельского хозяйства, занимался садоводством и пчеловодством.