Professeur au Collège de France (1865), sénateur (1881), ministre de l'Instruction publique (1886) puis des Affaires étrangères (1895), Berthelot a consacré ses activités de recherche à la chimie organique (estérification des alcools, synthèse d'espèces chimiques existant dans les êtres vivants : alcool éthylique, acide formique, méthane, acétylène). Il a aussi étudié les quantités de chaleur mises en jeu dans les réactions (thermochimie). Il s'est opposé à l'emploi de la notation atomique.
