По окончании Казанского университета в 1862 году Зайцев на собственный счет отправился за границу, где работал в лабораториях Г. Кольбе и А. Вюрца. За время пребывания за границей он выполнил работы, за которые ему присуждены были ученые степени кандидата химии и доктора философии.
В 1865 году Зайцев вернулся в Казань. В 1868 году защитил магистерскую диссертацию и вскоре после перехода Бутлерова в Петербургский университет (в 1869 г.) был избран доцентом по кафедре химии.
В 1885 году Петербургская академия наук избрала А.М. Зайцева своим членом-корреспондентом, а в 1907 году выдвинула его кандидатуру в академики. Не желая расставаться с Казанским университетом, он отклонил это предложение. В 1905 году Зайцев был избран президентом Русского физико-химического общества.
Научные исследования Зайцева способствовали дальнейшему развитию и усовершенствованию теории строения Бутлерова.
С 1870 года Зайцев работал над исследованием предельных спиртов, в ходе которого разработал методы получения спиртов различных классов, получивших в истории химии название "зайцевских синтезов" и "зайцевских спиртов". Известная реакция В. Гриньяра является видоизменением зайцевского синтеза спиртов.
С 1871 по 1910 гг. Зайцев возглавлял преподавание химии в Казанском университете и создал школу химиков-органиков, которая по числу принадлежащих к ней химиков и по своему значению для развития химии в нашей стране уступает только школе его учителя А.М. Бутлерова.
А.М. Зайцев был прекрасным педагогом. Среди его учеников видные ученые: С.Н. Реформатский, А.Н. Реформатский, Е.Е. Вагнер, А.А. Альбицкий, И.И. Канонников, А.Е. Арбузов и др.
