В 1891–1894 гг. А.Е. Фаворский работал в Михайловском артиллерийском училище и в Петербургской артиллерийской академии. В 1897–1908 и в 1924–1934 гг. – в Санкт-Петербургском технологическом институте имени императора Николая I (ныне Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет); в 1900–1919 гг. – на Петербургских высших женских (Бестужевских) курсах. С 1900 по 1945 гг. Фаворский являлся редактором «Журнала Русского физико-хими-ческого общества» (с 1931 г. – «Журнал общей химии»).
В 1900–1905 гг. Фаворский (совместно с учениками) открыл реакцию синтеза третичных ацетиленовых спиртов путем взаимодействия карбонильных соединений с ацетиленовыми углеводородами в присутствии безводной щелочи. Эта реакция называется «реакцией Фаворского» (1905). Она может применяться также к алициклическим кетонам и некоторым альдегидам. Реакция имеет большое значение для синтеза виниловых спиртов, диенов, различных алициклических и гетероциклических соединений. Позднее, в 1930-е гг., по этому методу из ацетилена и ацетона был получен диметилацетиленилкарбинол – исходный продукт в синтезе изопрена, являющегося сырьем при получении синтетического каучука.
В 1906 г. Фаворский открыл обратимую изомеризацию бромгидринов одноатомных и двухатомных спиртов и разработал промышленный метод получения диэтиленового эфира – диоксана, являющегося ценным растворителем.
Изучая изомерные превращения галогенкетонов в кетоспирты, Фаворский разработал схему такого спиртового брожения, при котором не требовалось большого числа ферментов, а также установил явление кето-анольной таутомерии в этом процессе. Многолетние исследования в области синтетического каучука (1905–1945 гг.) привели ученого к созданию теории биосинтеза терпенов в растительных организмах.
В 1919–1945 гг. А.Е. Фаворский работал в Российском институте прикладной химии (с 1924 г. – Государственный институт прикладной химии, ныне РНЦ «Прикладная химия»). В 1925 г. он был избран почетным членом Французского химического общества.
В 1931–1934 гг. работал в Лаборатории органического синтеза АН СССР; в 1934–1938 гг. – организатор и первый директор Института органической химии АН СССР (ныне ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН); в 1939–1945 гг. – руководитель отделения химии непредельных соединений в ИОХ АН СССР.
В 1941 г. Фаворский стал лауреатом Сталинской (Государственной) премии за разработку промышленного метода синтеза изопренового каучука. Дважды, в 1944 и в 1945 гг., был награжден орденами Ленина за многолетнюю работу в ЖРФ-ХО и ЖОХе, за работу в ГИПХе и в связи с 85-летием.
