Русский химик-органик, член-кор. Петербургской АН (с 1885). Ученик А. М. Бутлерова. Родился в Казани. Окончил Казанский университет (1862). В 1862—1865 совершенствовал образование в лабораториях А. В. Г. Колъбе в Марбургском университете и Ш. А. Вюрца в Высшей мед. школе в Париже. С 1865 работал в Казанском университете (с 1871 профессор).
Исследования в основном направлены на развитие и усовершенствование орг. синтеза и теории химического строения Бутлерова. Разработал (1870—1875) цинкорганические методы синтеза различных классов спиртов («Зайцевекие спирты»), подтвердив предсказания теории Бутлерова о существовании таких спиртов и заложив основы одного из универсальных направлений орг. синтеза вообще. В частности, совместно с Е. Е. Вагнером открыл (1875) реакцию получения вторичных и третичных спиртов действием на карбонильные соед. цинка и алкилгалоген и дов. Получил (1870) нормальный первичный бутиловый спирт. Синтезировал (1873) диэтилкарбинол. Установил (1875) правило, согласно которому отщепление элем, гало-геноводородных кислотот алкилгалогенидов или воды от спиртов происходит таким образом, что вместе с галогеном или гидроксилом уходит водород от наименее гидрогенизированного соседнего атома углерода (правило Зайцева). Осуществил (1875— 1907) синтез непредельных спиртов. Получил (1877—1878) Совместно с И. И. Канонниковым уксусный ангидрид действием ацетилхлорида на ледяную уксусную кислоту. Выполнил вместе с учениками многие работы по получению и изучению многоатомных спиртов, орг. оксидов, непредельных кислот и оксикислот. Создал крупную школу химиков, среди которых А. Е. Ар-бузов, Е. Е. Вагнер, А. Н. Реформатский, С. Н. Реформатский И др.
Президент Русского физико-хим. общества (1905, 1908 и 1911).