Как это ни странно, университетскую деятельность Бутлеров начал с чтения лекций по физике и физической географии. Впрочем и степень кандидата он получил за работу о бабочках Волги и Урала. Правда, скоро Бутлеров начал читать лекций и по неорганической химии – для студентов естественников и математиков.

Магистерскую диссертацию Бутлеров защитил в феврале 1851 года. Она называлась «Об окислении органических соединений» и представляла, по словам самого Бутлерова «…собрание всех доселе известных фактов окисления органических тел и опыт их систематизирования». Но уже в этой работе Бутлеров пророчески заявил: «…Оглянувшись назад, нельзя не удивляться, какой огромный шаг сделала органическая химия в короткое время своего существования. Несравненно больше, однако же, предстоит ей впереди и будет, наконец, время, когда мало помалу откроются и определятся истинные, точные законы… и тела займут свои естественные места в химической системе. Тогда химик по некоторым известным свойствам данного тела, зная общие условия известных превращений, предскажет наперед и без ошибки явление тех или иных продуктов и заранее определит не только состав, но и свойства их».

В 1851 году Бутлеров был избран адъюнктом по кафедре химии, а в следующем году выполнил экспериментальную работу «О действии осмиевой кислоты на органические соединения».

В 1854 году он защитил в МГУ докторскую диссертацию «Об эфирных маслах». Сразу после защиты он поехал в Петербург – повидаться со своим учителем Н. Н. Зининым, к тому времени перебравшимся в столицу. «…Непродолжительных бесед с Н. Н. Зининым в это мое пребывание в Петербурге, – писал позже Бутлеров, – было достаточно, чтобы время это стало эпохой в моем научном развитии».

В 1857 году Бутлеров получил место ординарного профессора Казанского университета. Студенты относились к молодому профессору с интересом. Известный писатель Боборыкин, учившийся у Бутлерова, вспоминал:

«В лаборатории, в течение целого курса, присмотрелись мы к А. М. и сошлись с ним. Месяца через два-три отношения сделались самые простые, однако без того панибратства, какое стало заводиться впоследствии. В А. М. всегда чувствовался необыкновенный такт, не допускавший ни его самого, ни его ученика ни до чего банального или слишком бесцеремонного…

Учеников он совсем не муштровал, не вмешивался в их работы, предоставлял им полную свободу, но на всякий вопрос откликался с неизменной внимательностью и добродушием. Он любил поболтать с нами, говорил о замыслах своих работ, шутил, делился впечатлениями от прочитанных беллетристических произведений. В ту зиму он ездил в Москву сдавать экзамен на доктора химии и часто повторял мне: – Боборыкин, хотите побыстрее быть магистром – не торопитесь жениться. Вот я женился слишком рано, и сколько лет не могу выдержать на доктора…».

В том же году Бутлеров выехал в первую заграничную командировку.

Он посетил многие лаборатории и научные центры Германии, Австрии, Италии, Франции, Швейцарии и Англии и хорошо узнал известных ученых того времени – М. Буссенго, К. Бернара, А. Беккереля, Э. Пелиго, А. Сен-Клер-Девиля, Г. Розе, А. Балара. В Гейдельберге Бутлеров познакомился с молодым химиком Кекуле, близко подошедшим к теме его главного открытия.

«Бутлеров, – писал об этой поездке химик Марковников, – был одним из первых русских молодых ученых, воспользовавшихся возможностью ознакомиться ближе с наукой на месте ее рождения. Но он поехал за границу уже с таким запасом знаний, что ему не надо было надобности доучиваться, как это делало большинство потом командируемых за границу. Ему нужно было видеть, как работают мастера науки, проследить зарождение и войти в тот интимный круг идей, которым легко обмениваются ученые при личных разговорах, но очень часто держат их при себе и не делают предметом печати. При таких условиях естественно, что Бутлеров мог легко ориентироваться во всем новом, что представлялось его умственным очам. Любовь к своей науке и правильное, честное понимание дела, лежавшего на нем как на профессоре, не позволяли ему отвлекаться иными вопросами, и он вполне предался изучению современных положений химии и предстоящих ей ближайших задач. С основательным запасом научных знаний, и притом владея совершенно свободно французским и немецким языками, ему не трудно было стать на равную ногу с молодыми европейскими учеными и, благодаря своим выдающимся способностям, избрать себе верное направление».