Русский физик. Родился во Владимире. Окончил Московский университет (1860 г.) и был оставлен для подготовки к профессорскому званию. В 1862—1866 гг. совершенствовал знания у Г. Кирхгофа в Гейдельберге и у В. Весера в Гёттингене. После возвращения из заграничной командировки работал в Московском университете (с 1873 г.— профессор).

Научные работы посвящены электромагнетизму, оптике, молекулярной физике, философским вопросам науки. В докторской диссертации «Исследования функции намагничивания мягкого железа» (1872 г.) впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля магнитная восприимчивость железа вначале возрастает, а затем уменьшается, проходя через максимум. Впервые снял кривую магнитной проницаемости ферромагнетика (кривая Столетова). Предложил два важных метода магнитных измерений веществ — метод тороида с замкнутой магнитной цепью и баллистическое измерение намагниченности. Осуществил ряд экспериментов для определения величины отношения электромагнитных и электростатических единиц. Исследуя в 1888—1889 гг. явление внешнего фотоэффекта, открыл закон зависимости силы фототока от интенсивности света (закон Столетова) и установил ряд других закономерностей. Электрическая схема Столетова стала прообразом современного фотоэлемента. Исследовал критическое состояние вещества. Автор ряда философских очерков, в которых выступал как материалист.