1866-1870 гг. - лаборант агрономической лаборатории, затем химической лаборатории, а после технической лаборатории Императорского Казанского университета; 1870-1871 гг. - экстраординарный профессор Императорского Казанского университета; 1871-1894 гг. - ординарный профессор Императорского Казанского университета; 1894-1910 гг. - заслуженный ординарный Императорского Казанского университета; 1907-1910 гг. - декан физико-математического факультета Императорского Казанского университета.

Исследования Зайцева способствовали развитию и укреплению теории Бутлерова. С 1870 года Зайцев вёл исследования предельных спиртов, причём разработал общий способ их синтеза восстановлением хлорангидридов жирных кислот амальгамой натрия. В частности, он получил нормальный первичный бутиловый спирт, существование которого было предсказано теорией строения. В 1873 году Зайцев синтезировал диэтилкарбинол действием цинка на смесь иодистого этила и муравьино-этилового эфира. Эта работа положила начало исследованиям французских химиков Ф. Барбье, Ф. Гриньяра и др. В 1885 году Зайцев предложил новый метод синтеза третичных предельных спиртов действием цинка на смесь алкилгалогенида и кетона. В 1875—1907 годах Зайцев синтезировал ряд непредельных спиртов. Разработанные Зайцевым и его учениками методы синтеза при помощи галоген-цинкорганических соединений позволили получить большое число предельных и непредельных спиртов и их производных. Совместно с учениками Зайцев синтезировал ряд непредельных углеводородов (бутилен, диаллил и др.). Особенно большое теоретическое значение имеют исследования Зайцева о порядке присоединения элементов галогеноводородов (НХ) к непредельным углеводородам и отщепления НХ от алкилгалогенидов («Правило Зайцева»). Ряд работ Зайцева и его учеников посвящён многоатомным спиртам и окисям, получению непредельных кислот, оксикислот и лактонов — класса органических соединений, открытого Зайцевым в 1873.