Phát triển học thuyết cấu trúc hóa học của A. M. Butlerov, ông nghiên cứu ảnh hưởng lẫn nhau của các nguyên tử trong các hợp chất hữu cơ và thiết lập một số quy tắc (trong đó có quy tắc kết hợp của các halogenua hiđrô với các hiđrôcacbon không no với liên kết đôi và liên kết ba, sau này mang tên ông vào năm 1869 là quy tắc Markovnikov). Năm 1865, ông cũng phát hiện ra đồng phân của các axít béo. Từ đầu thập niên 1880, ông nghiên cứu về dầu mỏ ở khu vực Kavkaz, phát hiện ra naphten (ankan vòng) trong hóa hữu cơ bằng các phát hiện ra các vòng cacbon với trên 6 nguyên tử, vòng với 4 nguyên tử cacbon năm 1879 và vòng với 7 nguyên tử cacbon năm 1889.

Ông là một trong những người thúc đẩy sự phát triển của công nghiệp hóa chất tại Nga và là một trong những người tổ chức ra Hiệp hội Hóa học Nga năm 1868.