Створення теорії хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлеровим у 60-х роках XIX ст. було найвидатнішою подією в історії розвитку органічної хімії. Ця теорія стала науковою основою для подальшого розвитку органічної хімії. О. М. Бутлеров виходив із матеріалістичних уявлень про реальне існування атомів і молекул. Основна ідея теорії хімічної будови органічних сполук була сформульована О. М. Бутлеровим у 1861 р. Суть цієї теорії полягає в слідуючому:
1. Атоми в молекулах органічних речовин сполучені між собою в певному порядку. Послідовність сполучення атомів у молекулі О. М. Бутлеров назвав хімічною будовою, або структурою, молекули.
2. Властивості молекул органічних речовин залежать від природи атомів, що входять до складу молекул, від кількості цих атомів і від порядку їх сполучення в молекулі, тобто від хімічної будови молекули.
3. Органічні речовини з однаковим якісним і кількісним складом, але з різною хімічною будовою - ізомери - мають різні хімічні властивості.
4. Знаючи властивості органічних речовин, можна встановити їх хімічну будову.
5. Реакційна здатність (хімічна активність) атомів, що входять до складу молекули органічної речовини, може змінюватись залежно від того, з якими іншими атомами вони зв'язані в даній молекулі. Ця зміна хімічної активності атомів обумовлюється взаємним впливом безпосередньо сполучених (сусідніх) атомів, а також взаємним впливом атомів через інші атоми (посередній вплив).
З виникненням теорії хімічної будови органічна хімія вийшла із лабіринту типових формул. Завдяки цій теорії були знайдені шляхи до пізнання внутрішньої будови молекул, з'явилась теоретична основа для розуміння хімічних процесів. Теорія хімічної будови дозволила класифікувати не тільки весь нагромаджений на той час, але й новий експериментальний матеріал. Хіміки, користуючись цією теорією, могли передбачити як нові шляхи синтезу органічних речовин, так і можливу кількість органічних сполук певного складу. З моменту свого виникнення теорія хімічної будови дала можливість хімікам проводити експериментальні дослідження цілеспрямовано, експериментальне перевіряти і встановлювати будову молекул органічних речовин.
Великим успіхом теорії хімічної будови було обгрунтування явища ізомерії, яке протягом майже сорока років не знаходило теоретичного пояснення. Так, наприклад, дві різні речовини етанол і диметиловий ефір мають одну і ту саму молекулярну формулу С2Н6О :
Н3С - СН2 - ОН Н3С - O - СН3
Етанол Диметиловий ефір
Але оскільки ці речовини мають різну хімічну будову, це зумовлює їх різні властивості. Так, етанол добре розчиняється у воді, за звичайних умов реагує з металічним натрієм, в той час як диметиловий ефір не розчиняється у воді і не взаємодіє з металічним натрієм. Теорію хімічної будови О. М. Бутлеров та його учні, а потім і інші хіміки підтвердили, синтезувавши всі передбачені ізомери найпростіших органічних речовин. Так, було синтезовано ізобутан, ізобутилен, третинні спирти тощо.