В 1884 г. М.Д. Львов, замещавший Бутлерова, изменил очень сложную для того времени задачу исследования и предложил Фаворскому изучить конденсацию кротонилена (С4Н6) до гексаметилбензола (С12Н18). Синтезируя кротонилен (1885 г.), Фаворский заметил, что образуется не один, а два разных ацетиленовых углеводорода (одно- и двузамещенный). Это наблюдение позволило обнаружить перемещение тройных связей, обусловленное переходом несимметрично построенных молекул этилацетилена в соответствующую симметричную форму диметилацетилена (СН3-СН2-С≡СН и СН3-С≡С-СН3). Он установил точные условия протекания реакции и показал, что в присутствии спиртового раствора гидрооксида калия при 120–1400С образуется этилацетилен, а при 1700С – его изомер диметилацетилен.
Дальнейшее изучение изомерного превращения позволило установить, что оно происходит через стадию образования соответственных алленов (ацетилен-алленовая перегруппировка, или «Реакция Фаворского», 1887 г.). При этом Фаворский установил возможность протекания обратимой изомеризации у кумулированных (1,2-диены) и сопряженных (1,3-диены) диеновых углеводородов. Открытые им изомерные превращения были установлены и для других углеводородов. При этом он изучил влияние не только физических условий, вызывающих перемещения атомов, но и роль химических реагентов. Он предложил схему протекания процесса и высказал ряд теоретических правил («правила Фаворского»), подтвержденных экспериментально.
В 1888 г. из метилацетилена получил виниловый эфир (этилизопропениловый эфир). Спустя полвека в 1939–1940 гг. совместно со своим учеником М.Ф. Шостаковским разработал условия синтеза разнообразных виниловых эфиров из более дешевого ацетилена (способ Фаворского–Шостаковского), внедренного в промышленность для получения пластмасс, синтетических волокон, лаков, клеев и других полимеров.
Исследования Фаворского по изомерным превращениям ацетиленовых углеводородов были обобщены и изложены в магистерской диссертации «По вопросу о механизме изомеризации в рядах непредельных углеводородов» (1891).
Продолжая исследования ацетиленовых углеводородов, Фаворский изучил взаимодействие двузамещенных ацетиленов с хлорноватистой кислотой. Продуктом реакции являлись несимметричные α-дихлоркетоны, при обработке которых 10%-м раствором карбоната калия, кроме хинонов, в результате внутримолекулярной перегруппировки образуются кислоты акрилового ряда («перегруппировка Фаворского»). Эта реакция называется также «реакцией Фаворского–Маркера» (1895). Она успешно применяется в химии стероидов, при синтезе сильно разветвленных ациклических карбоновых кислот и гемм-замещенных циклоалканкарбоновых кислот. Это открытие легло в основу докторской диссертации «Исследования изомерных превращений в рядах карбонильных соединений, охлоренных спиртов и галоидозамещенных окисей» (1895 г.) и принесло ему мировую известность.
