В Петербурге А. М. Бутлеров развернул работы по непредельным соединениям, начатые еще в Казани, а также продолжал свои теоретические работы. В 1874 г. А. М. Бутлеров был избран академиком.
В академии А. М. Бутлеров вел борьбу против реакционных, антипатриотических сил. Реакционеры провалили Д. И. Менделеева на выборах в Академию в 1882 г. - в то время, когда он уже получил мировую известность как творец периодического закона. Возмущенный этой несправедливостью, А. М. Бутлеров опубликовал статью «Русская или только императорская академия наук в С.-Петербурге». Заканчивая 14 марта 1885 г. свою последнюю лекцию в Петербургском университете, А. М. Бутлеров с гордостью говорил о росте русской химической науки и предсказывал ей блестящее будущее.
Через год, 17 августа 1886 г., в возрасте 58 лет, А. М. Бутлеров скончался в деревне Бутлеровке, Спасского уезда Казанской губернии. Созданные при его участии крупнейшие русские химические школы - Казанская, Петербургская, Московская (обязанная своим расцветом ученику Бутлерова - В. В. Марковникову продолжили развитие органической химии, внеся достойный вклад не только в отечественную, но и в мировую науку.