生于奇斯托波尔，卒于布特列洛夫卡。1844～1849年，在喀山大学学习，毕业后留校任教，并曾任校长。1857～1858年，去西欧各国，认识了许多化学家，并在C.-A.孚兹的实验室进行过研究工作。1868～1885年任圣彼得堡大学化学教授。1874年当选圣彼得堡科学院院士。

布特列洛夫是化学结构理论的创始人之一。1851年他最先从结构观点解释同分异构现象，提出了“如果物质的组成相同而各种性质不同，则它们的结构也应不同”的观点。1861年正式提出化学结构理论，认为分子的化学性质取决于其组成单元的性质、数量和化学结构，化合物中的原子能相互影响，并拟定了测定化学结构的方法及应遵循的规则。预见到并证实了构造异构体的存在。在这个理论基础上合成了叔丁醇，并证明它有异构体。1864年预言有两种丁烷和三种戊烷及异丁烯的存在。他还最先合成了异丁烷、乌洛托品和一些糖类。他对聚合作用的系统研究为合成橡胶工业奠定了基础，1873年发现异丁烯的聚合反应。还发现了制取二碘甲烷的新方法，制成了它的许多衍生物。著有《有机化学综合研究导论》和《化学结构与取代理论》等。