Когда пришло время определиться со специализацией, то выбор пал на изучение органической химии — отсутствие ясного представления в науке об органических реакциях предполагало большие возможности для исследований и новых открытий. После защиты кандидатской, а затем и докторской работы, ему дали разрешение на дополнительное обучение в Европе. Бутлеров посетил Германию, Швейцарию, Италию и, наконец, попал во Францию, где он хотел встретиться с известным химиком-органиком Адольфом Вюрцем. Под его руководством он начал свои экспериментальные исследования.