Pasó su infancia en el pueblo de su padre, Bútlerovka, y más adelante se trasladó a Kazán.
En 1849 escribió una tesis sobre las "Mariposas diurnas de la fauna del Volga-Ural".
En 1854, aprobó el examen y defendió su tesis para un doctorado en química.
En su presentación, Dmitri Mendeléyev escribió: En San Petersburgo, Butlérov desarrollo sus trabajos sobre compuestos insaturados, comenzado en Kazán, y también continuó su trabajo teórico.
Su esposa, Nadezhda Mikhailovna Glumilina (1828-1886), era sobrina de Serguéi Aksákov.