Химик, доктор наук, профессор
Родился в семье поручика Белевского егерского полка в деревне Черноречье Балахнинского уезда Нижегородской губернии, ныне город Дзержинск.
Детские годы провел в родовом имении – селе Ивановское Княгининского уезда Нижегородской губернии.
С 10 лет учился в Нижегородском дворянском институте, окончив гимназические классы в 1856 году.
Поступил на камеральное отделение, в процессе учебы перешел на естественное отделение юридического факультета Казанского университета, который окончил в 1860 году кандидатом университетского курса.
Был оставлен для приготовления к профессорскому званию и назначен лаборантом химической лаборатории А. М. Бутлерова.
В 1864 году защитил магистерскую диссертацию «Об изомерии органических соединений».
Доказал существование изомерии среди жирных (насыщенных) кислот (1865).
В 1865 – 1867 годах стажировался за границей: работал в Берлине, Мюнхене и Лейпциге в лабораториях А. Байера, Э. Эрленмейера и А. В. Г. Кольбе. В феврале 1867 года избран в число приват-доцентов по кафедре химии. Вернувшись в Россию начал преподавательскую деятельность.
Один из организаторов Русского химического общества (1868).
В 1869 году защитил докторскую диссертацию по теме «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях» и стал экстраординарным профессором кафедры химии. Развивал теорию химического строения А. М. Бутлерова (1869).
Сформулировал правило о направлении течения реакций присоединения, отщепления и замещения по двойной связи, а также изомеризации в зависимости от химического строения вещества, которое сейчас известно как правило Марковникова (1869).
С 1870 года — ординарный профессор Казанского университета.
В 1871 году с группой ученых оставил университет в знак протеста против увольнения профессора П. Ф. Лесгафта, был избран ординарным профессором Новороссийского университета в Одессе, где прочитал один курс органической химии.
С 1872 года – профессор Московского университета, возглавил химическую лабораторию университета, с 1873 года - ординарный профессор.
В 1877 году командирован в действующую армию, руководил дезинфекционными работами в госпиталях. Совместно с Г. А. Крестовниковым впервые осуществил синтез циклобутандикарбоновой кислоты (1879).
В 1880-х годах исследовал соляные озера в Астраханской губернии и на Кавказе, минеральные воды Нарзана. Занимался исследованиями по безотходной переработке нефти, развивая идеи Д. И. Менделеева.
С 1880-х годах исследовал кавказские нефти.
Открыл новый класс органических соединений — нафтены (1883). Впервые получил суберон (1889).
Открыл первую реакцию изомеризации циклических углеводородов с уменьшением цикла (циклогептана в метилциклогексан) (1892).
В 1892 году присвоено звание заслуженного профессора Московского университета. Почётный член Московского университета (1901). Почётный член ОЛЕАЭ (1887).
В 1893 году передал заведование лабораторией профессору Николаю Дмитриевичу Зелинскому, но продолжал читать лекции на физико-математическом факультете Московского университета. Доклад ученого «Химия русской нефти» в Париже в 1900 году отмечен золотой медалью имени Нобеля.
В 1901 году его по инициативе издан «Ломоносовский сборник», посвященный истории химии в России.
Жил в Москве, похоронен на Ваганьковском кладбище.
Память: имя ученого носит улица в городе Дзержинске Нижегородской области.