А. М. Бутлеров родился 6 сентября 1828 года в городе Чистополе Казанской губернии. Через одиннадцать дней после своего появления на свет А. М. Бутлеров лишился матери, и воспитание ребенка взяли на себя его дедушка и бабушка Стрелковы. Раннее детство А. М. Бутлеров провел в глухом местечке — деревне Подлесной Шантале, среди лесной девственной природы. Хотя деревня находилась всего лишь в нескольких километрах от имения Бутлеровых, отец Александра Михайловича не принимал в воспитании сына почти никакого участия. Воспитанием А. М. Бутлерова руководила главным образом его тетка В. А. Стрелкова.
Восьми лет мальчик был отдан в частный пансион в Казани, откуда был вскоре переведен в 1-ю Казанскую гимназию. Уже во время пребывания в пансионе и гимназии А. М. Бутлеров стал увлекаться химией. Наряду с этим он также интересовался собиранием коллекций растений, бабочек и т. п.
В 1844 году шестнадцатилетний А. М. Бутлеров поступил на камеральное отделение юридического факультета Казанского университета. Уже с первого года своего обучения в университете он начал заниматься химией и был замечен знаменитыми профессорами химии Казанского университета. Не ограничиваясь лабораторными занятиями по химии в университете, a М. Бутлеров завел свою домашнюю лабораторию и готовил в ней весьма сложные препараты.
Университет А. М. Бутлеров окончил в 1849 году со степенью кандидата за сочинение, как это ни покажется странным, не по химии, а по зоологии на тему «Дневные бабочки Волго-Уральской фауны». В 1850 году факультет и совет университета вынесли решение об оставлении А. М. Бутлерова в университете для подготовки к профессорскому званию по кафедре химии. Постановление факультета по этому поводу гласит следующее: «Факультет со своей стороны совершенно уверен, что Бутлеров своими познаниями, дарованием, любовью к наукам и к химическим исследованиям сделает честь университету и заслужит известность в ученом мире, если обстоятельства будут благоприятствовать его ученому призванию». Так же верил в дарования А. М. Бутлерова и знаменитый Н. И. Лобачевский, исполнявший в то время обязанности попечителя округа. Двадцатидвухлетнему А. М. Бутлерову было поручено преподавание неорганической химии.
В феврале 1851 года А. М. Бутлеров защитил магистерскую диссертацию и вслед за этим был избран адъюнктом по кафедре химии. В 1854 году он блестяще сдал в Московском университете экзамен на степень доктора химии и вскоре был избран экстраординарным профессором Казанского университета.
После защиты докторской диссертации А. М. Бутлеров поехал из Москвы в Петербург повидаться со своим учителем Н. Н. Зининым. Эта встреча имела для него весьма важные последствия. Позже он неоднократно говорил, что «непродолжительных бесед с Н. Н. Зининым в это мое пребывание в Петербурге было достаточно, чтобы время это стало эпохой в моем научном развитии». Вернувшись после этого в Казань, А. М. Бутлеров деятельно принимается за расширение своего научного кругозора. В 1857 году он выехал в заграничную командировку. В течение года он посетил все лучшие европейские лаборатории, слушал лекции выдающихся химиков и общался с виднейшими представителями западноевропейской химической науки.