En 1857-58 Kekulé développe la théorie de la structure chimique, basée sur deux notions : la tétravalence du carbone, et la capacité des atomes de carbone de former des liaisons entre eux. Le chimiste écossais Archibald Scott Couper trouve la deuxième notion indépendamment, et fournit les premiers diagrammes auxquels les liaisons sont représentées par des lignes.
Cette théorie de structure permet la compréhension des molécules organiques et de leurs réactions, et conduit à une véritable explosion de recherche en synthèse chimique des composés organiques à partir de 1860.
Ses recherches en chimie organique lui valent la médaille Copley en 1885. Parmi les cinq premiers prix Nobel en chimie, trois sont ses anciens étudiants : van’t Hoff en 1901, Fischer en 1902, et Baeyer en 1905.