В марте 1857 года молодой медик был назначен ординатором Второго военно-сухопутного госпиталя, где познакомился с находившимся на лечении офицером Модестом Мусоргским.

В 1858 году Бородин получил степень доктора медицины, проведя химические исследования и защитив диссертацию по теме «Об аналогии фосфорной и мышьяковой кислоты в химических и токсикологических отношениях».

В 1858 году Военно-медицинский учёный Совет направил Бородина в Солигалич для изучения состава минеральных вод основанной в 1841 году купцом В. А. Кокоревым водолечебницы. Отчёт о работе, опубликованный в газете «Московские ведомости» в 1859 году, стал настоящим научным трудом по бальнеологии, который принёс автору широкую известность.

В 1859–1862 годах Бородин совершенствовал свои познания в области медицины и химии за границей — в Германии (Гейдельбергский университет), Италии и Франции, по возвращении получив должность адъюнкт-профессора Медико-хирургической академии.

С 1863 года — профессор кафедры химии Лесной академии.

С 1864 года — ординарный профессор, с 1874 года — руководитель химической лаборатории, а с 1877 года — академик Медико-хирургической академии.

А. П. Бородин — ученик и ближайший сотрудник выдающегося химика Николая Зинина, вместе с которым в 1868 году стал членом-учредителем Русского химического общества.

Автор более 40 работ по химии. Именно А. П. Бородин открыл способ получения бромзамещённых жирных кислот действием брома на серебряные соли кислот, известный как реакция Бородина — Хунсдикера, первым в мире (в 1862 году) получил фторорганическое соединение — фтористый бензоил, провёл исследование ацетальдегида, описал альдоль и химическую реакцию альдольной конденсации.

Ещё во время учёбы в Медико-хирургической академии Бородин начал ​писать романсы, фортепианные пьесы, камерно-инструментальные ансамбли, чем вызывал неудовольствие своего научного руководителя Зинина, считавшего, что занятие музыкой мешает серьёзной научной работе. По этой причине во время своей стажировки за границей Бородин, не отказавшийся от музыкального творчества, вынужден был скрывать его от коллег.

По возвращении в Россию в 1862 Бородин познакомился с композитором Милием Балакиревым и вошёл в его кружок — «Могучую кучку». Под влиянием М. А. Балакирева, В. В. Стасова и других участников этого творческого объединения определилась музыкально-эстетическая направленность взглядов Бородина, как приверженца русской национальной школы в музыке и последователя Михаила Глинки. А.П.Бородин был активным членом Беляевского кружка.

В музыкальном творчестве Бородина отчётливо звучит тема величия русского народа, патриотизма и свободолюбия, совмещающая в себе эпическую широту и мужественность с глубоким лиризмом.

Творческое наследие Бородина, совмещавшего научную и преподавательскую деятельность со служением искусству, сравнительно невелико по объёму, однако внесло ценнейший вклад в сокровищницу русской музыкальной классики.

Наиболее значительным произведением Бородина по праву признаётся опера «Князь Игорь», являющаяся образцом национального героического эпоса в музыке. Автор работал над главным произведением своей жизни в течение 18 лет, но опера так и не была окончена: уже после смерти Бородина оперу дописали и сделали оркестровку по материалам Бородина композиторы Николай Римский-Корсаков и Александр Глазунов. Поставленная в 1890 году в Санкт-Петербургском Мариинском театре, опера, отличавшаяся монументальной цельностью образов, мощностью и размахом народных хоровых сцен, яркостью национального колорита в традициях эпической оперы Глинки «Руслан и Людмила», имела большой успех и до настоящего времени остаётся одним из шедевров отечественного оперного искусства.

А. П. Бородин считается также одним из основателей классических жанров симфонии и квартета в России.

Первая симфония Бородина, написанная в 1867 году и увидевшая свет одновременно с первыми симфоническими произведениями Римского-Корсакова и П. И. Чайковского, положила начало героико-эпическому направлению русского симфонизма. Вершиной русского и мирового эпического симфонизма признаётся написанная в 1876 году Вторая («Богатырская») симфония композитора.

К числу лучших камерных инструментальных произведений принадлежат Первый и Второй квартеты, представленные ценителям музыки в 1879 и в 1881 годах.

Бородин — не только мастер инструментальной музыки, но и тонкий художник камерной вокальной лирики, яркими образцами которой является элегия «Для берегов отчизны дальней» на слова А. С. Пушкина. Композитор первым ввёл в романс образы русского богатырского эпоса, а с ними — освободительные идеи 1860-х годов (например, в произведениях «Спящая княжна», «Песня тёмного леса»), также являясь автором сатирических и юмористических песен («Спесь» и др.).

Самобытное творчество А. П. Бородина отличалось глубоким проникновением в строй как русской народной песни, а так и музыки народов Востока (в опере «Князь Игорь», симфонической картине «В Средней Азии» и других симфонических произведениях) и оказало заметное воздействие на русских и зарубежных композиторов. Традиции его музыки продолжили советские композиторы (Сергей Прокофьев, Юрий Шапорин, Георгий Свиридов, Арам Хачатурян и др.).

Значительное время Бородин уделял работе со студентами и, пользуясь своим авторитетом, защищал их от политических преследований властей в период после убийства императора Александра II.

Огромное значение для международного признания российской культуры имели музыкальные произведения Бородина, благодаря чему и он сам получил мировую известность именно как композитор, а не деятель науки, которой посвятил бо́льшую часть своей жизни.

Летом 1861 года в Гейдельберге Бородин познакомился с приехавшей на лечение талантливой пианисткой Екатериной Сергеевной Протопоповой, в исполнении которой впервые услышал произведения Шопена и Шумана. Осенью здоровье Протопоповой ухудшилось, и она продолжила лечение в Италии. Бородин нашёл возможность последовать за ней в Пизу, не прерывая своих химических исследований, и именно там были впервые получены фторорганические соединения и проведены другие работы, которые принесли учёному мировую славу. Тогда же Бородин и Протопопова решили вступить в брак, однако по возвращении в Россию из-за отсутствия денег на свадьбу пришлось отложить и венчание состоялось в 1863 году. Материальные проблемы преследовали семью всю оставшуюся жизнь, вынуждая Бородина много трудиться — преподавать в Лесной академии и заниматься переводами иностранной литературы.

В связи с тяжёлым хроническим заболеванием (астмой), супруга Александра Порфирьевича не переносила климата Санкт-Петербурга и подолгу жила у родственников в Москве. Детей в семье не было.

А. П. Бородин, проживавший в Санкт-Петербурге, скоропостижно скончался от разрыва сердца 15 (27) февраля 1887 в возрасте 54 лет.

«Богатыри» (1876)
«Млада» (1872)
«Князь Игорь» (1869-1887)

Произведения для оркестра:

3 симфонии (№1, Es-dur, 1867; №2, Богатырская, h-moll, 1876; №3, a-moll, 1887)
музыкальная картина «В Средней Азии» (1880)

Камерно-инструментальные ансамбли:

струнное трио на тему песни "Чем тебя я огорчила" (g-moll, 1854-55)
струнное трио (Большое, G-dur, до 1862)
фортепианное трио (D-dur, до 1862)
струнный квинтет (f-moll, до 1862)
струнный секстет (d-moll, 1860-61)
фортепианный квинтет (c-moll, 1862)
2 струнных квартета (A-dur, 1879; D-dur, 1881)
Серенада в испанском роде из квартета B-la-f (коллективное сочинение, 1886)

Произведения для фортепиано:

В две руки:

Патетическое адажио (As-dur, 1849)
Маленькая сюита (1885)
Скерцо (As-dur, 1885)

В три руки:

Полька, Мазурка, Похоронный марш и Реквием из Парафраз на неизменяемую тему (коллективное сочинение Бородина, Н. А. Римского-Корсакова, Ц. А.Кюи, А. К. Лядова, 1878)

В четыре руки:

Скерцо (E-dur, 1861)
Тарантелла (D-dur, 1862)

Произведения для голоса и фортепиано:

Разлюбила красна девица (50-е годы)
Слушайте, подруженьки, песенку мою (50-е годы)
Что ты рано, зоренька (50-е годы)
Красавица-рыбачка (1854-55)

На слова Бородина:

Спящая княжна (1867)
Морская царевна (1868)
Песня тёмного леса (1868)
Фальшивая нота (1868)
Море (1870)
Отравой полны мои песни (1868)
Из слез моих (1871)
Арабская мелодия (1881)
Для берегов отчизны дальней (слова А. С. Пушкина, 1881)
У людей-то в дому (слова Н. А. Некрасова, 1881)
Спесь (слова А. К. Толстого, 1884-85)
Чудный сад (Septain, 1885)

Вокальный ансамбль:

мужской вокальный квартет без сопровождения Серенада четырёх кавалеров одной даме (слова Бородина, 1868-72)