Одним из важнейших направлений исследований Зинина было изучение реакций окисления и восстановления органических молекул. Восстанавливая нитробензол сероводородом ему удалось синтезировать анилин (1842). Теперь анилин можно было получать в промышленном масштабе. В 1844 году пользуясь восстановительным действием сульфида аммония на динитросоединения, Зинин получил нафтилендиамин и фенилендиамин. Таким образом был открыт общий метод получения аминопроизводных из органических нитросоединений. В 1847 г. назначен профессором химии в медико-хирургической академии, в которой 12 лет исполнял должность ученого секретаря и которой два раза временно управлял.
В 1848 году он получил приглашение перейти на службу в Санкт-Петербург, чтобы возглавить кафедру химии в Медико-хирургической академии. Здесь он проработал в звании ординарного профессора с 1848 по 1859, в звании академика с 1856, затем заслуженного профессора с 1859 по 1864, и, наконец, в звании «директора химических работ» с 1864 по 1874 гг.
Зинин был ординарным академиком Императорской Академии Наук. При основании (в 1868 г.) русского химического общества Зинин избран его президентом и в этом звании состоял 10 лет.
Впервые синтезировал (1841 г.) бензиловую (дифенилгликолевую) кислоту, описал ее свойства и установил состав. Открыл (1842 г.) реакцию восстановления ароматических нитросоединений, послужившую основой новой отрасли химической промышленности - анилокрасочной. Таким же путем получил анилин и aльфа-нафтиламин (1842 г.), м-фенилендиамин и дезоксибензоин (1844 г.), бензидин (1845 г.). Им была открыта (1845 г.) перегруппировка гидразобензола под действием кислот - "бензидиновую перегруппировку". Показал, что амины - основания, способные образовывать соли с различными кислотами. Получил (1852 г.) аллиловый эфир изотиоциановой кислоты - "летучее горчичное масло" - на основе иодаллила и тиоцианата калия.
ЗининымУстановлено, что при взаимодействии этого масла с анилином образуется аллилфенилтиомочевина. Зинин разработал самый прогрессивный метод синтеза нитроглицерина из глицерина с использованием концентрированной азотной кислоты, низкой температуры и т. д. Он предложил начинять нитроглицерином гранаты (1854), разработал способ получения больших количеств нитроглицерина и способ его взрывания. Однако его предложения не были реализованы артиллерийским ведомством. Только в 1863-67 нитроглицерин начали успешно применять для подземных и подводных взрывов. Изучал (1854 г.) реакции образования и превращения производных мочевины; открыл уреиды. Исследовал производные радикала аллила, синтезировал аллиловый спирт. Получил (1860-е гг.) дихлор- и тетрахлорбензол, толан и стильбен. Изучал (1870-е гг.) состав лепидена (тетрафенилфурана) и его производных. Совместно с Л. Л. Воскресенским является основателем большой школы русских химиков. В числе его учеников были Л. М. Бутлеров, Н. Н. Бекетов, А. П. Бородин и др. Зинин был почетным членом многих русских и иностранных научных обществ, академий и университетов.