В 1838 году по инициативе Ивана Симонова при ректоре Николае Лобачевском была построена астрономическая обсерватория университета, а в 1843 году – магнитная обсерватория. Астрономическую обсерваторию Симонов возглавлял от ее открытия и до конца своей жизни. В 1829 году знаменитого исследователя избирают членом-корреспондентом Петербургской Академии наук, а затем еще пятнадцати зарубежных академий наук и научных обществ. В 1846–1855 годах прославленного путешественника избирают ректором Казанского университета. Позже ученый впервые издал российский учебник по астрономии.
В 1834–1837 годах в Казанском университете появляется здание химической лаборатории. В 1844 году химик Карл Клаус открыл в ней химический элемент рутений, названный в честь России (Россия по-латински Ruthenia). Успехи химической науки в Казанском университете в первую очередь связаны с именами Николая Зинина и Александра Бутлерова.
Родители Зинина умерли от эпидемии холеры. В 1837 году ученый был отправлен на стажировку в Гессен, к известному химику Либиху. Затем в Петербурге Зинин защитил докторскую диссертацию, вернулся преподавать в Казань, женился на своей квартирной хозяйке и полностью сосредоточился на анализе взаимодействия нитробензола и сероводорода. Опыт казанского ученого был назван специалистами «реакцией Зинина», а его метод положил начало мировому производству анилиновых красителей. Академик Зинин организовал Русское химическое общество и в течение десяти лет являлся его президентом. 8 марта 1880 года на заседании Немецкого химического общества химик Август Гофман заявил: «Если бы Зинин не научил нас ничему более, кроме превращения нитробензола в анилин, то и тогда его имя осталось бы записанным золотыми буквами в историю химий».
Одним из самых способных учеников Зинина был Александр Бутлеров – потомок сапера Бутлера, взрывавшего в 1552 году стены Казани. Мать Александра умерла через одиннадцать дней после появления сына на свет. В 1857 году молодой профессор химии Казанского университета отправился на стажировку в лабораторию Адольфа Вюрца, профессора химии в Высшей медицинской школе в Париже. Анализируя свойства углеводородов, ученый заметил закономерность, которая легла в основу созданной им теории химического строения вещества. По Бутлерову валентность (способность атомов соединяться друг с другом) напрямую влияет на свойства соединений. Отчего результаты реакций могут быть заранее просчитаны, еще до опыта с препаратами.
19 сентября 1861 года Бутлеров выступил с докладом на 36-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере (Германия). Он ясно изложил закономерности межатомных связей в молекулах. Доклад вызвал небывалый интерес специалистов. Идеи русского ученого с английским происхождением означали переворот в органической химии. В 1860–1863 годах химик становится ректором Казанского университета. В 1864–1866 годах Бутлеров пишет учебник, основанный на своей теории. Книга вызвала революцию в науке и ее сразу же начали переводить на многие европейские языки.