Foi galardoado com o Prémio Nobel da Química, em 1905, pela sua contribuição para o avanço da química orgânica e da indústria química, através dos seus trabalhos sobre corantes orgânicos e compostos hidroaromáticos.

Baeyer era o mais velho dos cinco filhos de Johann Jacob Baeyer e Hitzig Eugenie. A educação de Baeyer, quer no ensino pré-académico, quer na Universidade de Berlim, foi muito direcionada para a matemática e a física. Contudo, em 1856, depois de um ano de serviço militar, Baeyer decidiu estudar química experimental com Robert Bunsen (1811 – 1899), em Heidelberg, onde a ênfase se centrava na Química Física Aplicada. Em 1858, insatisfeito com esta abordagem, Baeyer procurou trabalhar no laboratório de August Kekulé (1829 – 1896). Baeyer ficou satisfeito com as aulas de Química Orgânica de Kekulé e passou a segui-lo, terminando o seu doutoramento em 1858 que versava sobre compostos arsénicos orgânicos. Posteriormente, Baeyer voltou a Berlim e ocupou diferentes cargos de docência no Instituto Técnico e na Academia Militar. Em 1872, foi nomeado professor de química na Imperial University, em Estrasburgo. Anos mais tarde, em 1875, mudou-se para Munique como sucessor de Justus von Liebig (1803 – 1873).

As duas décadas entre 1865 a 1885 foram dedicadas à investigação meticulosa de corantes orgânicos, particularmente o indigo, a alizarina e a isatina. Este trabalho contribuiu para o crescimento da indústria alemã de corantes, mas não trouxe grandes compensações financeiras para Baeyer, que generosamente compartilhou as suas ideias e técnicas com os seus alunos. Em 1881, a Royal Society de Londres concedeu-lhe a Medalha Davy pelo seu trabalho sobre o indigo.

Baeyer foi casado e pai de quatro filhos. Era membro ativo da Sociedade Química Alemã e ocupou algumas das cadeiras de maior prestígio no mundo académico alemão. Viveu para a sua ciência, para os seus alunos e colaboradores.

Entre as muitas realizações de Baeyer figuram a descoberta e síntese da fenolftaleína (1871) e as suas investigações sobre derivados de ácido úrico, poliacetilenos e sais de oxónio. Um dos derivados do ácido úrico que Baeyer descobriu era o ácido barbitúrico, composto basilar dos fármacos sedativo-hipnóticos conhecidos como barbitúricos.