Под влиянием увлечённости Кекуле Байер начал сначала исследовать мочевую кислоту, а начиная с 1865 года структурный состав индиго, высоко ценимого в промышленности синего красителя, названного именем растения, из которого его получают. Ещё в 1841 году французский химик Огюст Лоран в ходе исследований сложного строения этого вещества выделил изатин, растворимое в воде кристаллическое соединение. Продолжая опыты, начатые Лораном, Байер в 1866 году получил изатин, использовав новую технологию восстановления индиго путём нагревания его с измельчённым цинком. Применённый Байером способ позволил проводить более глубокий структурный анализ, чем процесс окисления, осуществлённый Лораном.

Престиж его лаборатории чрезвычайно возрос. Молодым учёным интересовались не только исследователи, но и промышленники. Доходы Байера значительно увеличились. Теперь можно было подумать о семейной жизни.

8 августа 1868 года состоялась свадьба Адельгейды Бендеманн и Адольфа Байера. У них родились дочь и три сына, один из которых, Франц, умер в 1881 году. Известная своей деликатностью, тактом и изящными манерами, госпожа Байер пользовалась всеобщей любовью и уважением. Кроме молодых практикантов её мужа, госпожа Байер обычно приглашала и маститых учёных, писателей, художников, музыкантов. Молодая жена не только умело взяла на себя заботы о хозяйстве, но и помогала мужу вести переписку. Байер не любил писать. Даже научные статьи, в которых он подводил итоги своих исследований, Байер писал с большой неохотой.

Анализируя обратный процесс, получение индиго путём окисления изатина, Байер в 1870 году впервые сумел синтезировать индиго, сделав, таким образом, возможным его промышленное производство. После того как в 1872 году Байер переехал в Страсбург и занял место профессора химии в Страсбургском университете, он приступил к изучению реакций конденсации, в результате которых высвобождается вода. В ходе проведения реакций конденсации таких групп соединений, как альдегиды и фенолы, ему и его коллегам удалось выделить несколько имеющих важное значение красящих веществ, в частности пигменты эозина, которые он впоследствии синтезировал.

Здесь у Байера появилось много друзей. Иногда после работы сотрудники лаборатории собирались на квартире учёного, благо дом, в котором жил Байер, находился рядом с лабораторией. За большим и шумным столом рассказывались весёлые истории, шутки, пелись песни. Адельгейда любила эти весёлые компании и умела оживлять их своим искусством отличной хозяйки. Эти молодые, влюблённые в науку люди сплотились в одну большую семью, в центре которой был профессор Байер.

Три года прожил учёный в Страсбурге. В 1875 году, после смерти Юстуса фон Либиха, Байер стал преемником этого известного химика-органика, заняв должность профессора химии в Мюнхенском университете. Здесь в течение более чем четырёх десятилетий он был центром притяжения множества одарённых студентов. Более пятидесяти из них стали впоследствии университетскими преподавателями.

Вернувшись к изучению точной химической структуры индиго, Байер в 1883 году объявил о результатах своих исследований. Это соединение, по его словам, состоит из двух связанных «стержневых» молекул (их он назвал индолом). В течение сорока лет созданная Байером модель оставалась неизменной. Она была пересмотрена только с появлением более совершенной технологии.

Изучение красителей привело Байера к исследованию бензола — углеводорода, в молекуле которого 6 атомов углерода образуют кольцо. Относительно природы связей между этими атомами углерода и расположения атомов водорода внутри молекулярного кольца существовало много соперничавших между собой теорий. Байер, который по своему складу был скорее химиком-экпериментатором, нежели теоретиком, не принял ни одну из существовавших в то время теорий, а выдвинул свою собственную — теорию «напряжения». В ней учёный утверждал, что из-за присутствия других атомов в молекуле связи между атомами углерода находятся под напряжением и что это напряжение определяет не только форму молекулы, но также и её стабильность. И хотя эта теория получила сегодня несколько осовремененную трактовку, её суть, верно схваченная Байером, осталась неизменной. Исследования бензола привели Байера также к пониманию того, что структура молекул бензольной группы ароматических соединений, называемых гидроароматическими, представляет собой нечто среднее между кольцевым образованием и структурой молекулы алифатических углеводородов (без кольца). Это сделанное им открытие не только указывало на взаимосвязь между данными тремя типами молекул, но и открывало новые возможности для их изучения.

В 1885 году в день пятидесятилетия Байера в знак признания его заслуг перед Германией учёному был пожалован наследственный титул, давший право ставить частицу «фон» перед фамилией.

…Годы шли незаметно. Старшая дочь Евгения давно вышла замуж за профессора Оскара Пилоти. Сыновья, Ганс и Отто, тоже нашли свою дорогу в жизни. Появились внуки…

Шёл 1905 год. На чествование семидесятилетия выдающегося учёного в Мюнхен съехались десятки учеников Байера, теперь уже известных учёных. Торжественная церемония, обед в большом зале. Со всех концов мира приходили поздравления. В дни празднования было получено сообщение о том, что за заслуги в области органической химии Байеру присуждена Нобелевская премия по химии «за заслуги в развитии органической химии и химической промышленности благодаря работам по органическим красителям и гидроароматическим соединениям».

Поскольку в это время учёный был болен и не мог лично присутствовать на церемонии вручения премии, его представлял германский посол. Байер не произнёс нобелевской лекции. Но ещё в 1900 году, в статье, посвящённой истории синтеза индиго, он сказал: «Наконец-то у меня в руках основное вещество для синтеза индиго, и я испытываю такую же радость, какую, вероятно, испытывал Эмиль Фишер, когда он после пятнадцати лет работы синтезировал пурин — исходное вещество для получения мочевой кислоты».

Став нобелевским лауреатом, Байер продолжил исследования молекулярной структуры. Его работы по кислородным соединениям привели к открытиям, касающимся четырёхвалентности и основности кислорода. Учёный также занимался изучением связи между молекулярной структурой и оптическими свойствами веществ, в частности цветом.

Байер поддерживал личные контакты со многими выдающимися учёными Европы. Почти не ведя переписки, он всегда находил время посетить своих коллег, побеседовать с ними, узнать об их достижениях, рассказать о своих. Его уважали и повсюду встречали как дорогого гостя. Профессорские кафедры во многих городах Европы занимали его ученики. Они сохраняли привязанность к старому учителю и, приезжая в Мюнхен, прежде всего, навещали знакомый дом.

В число наград, полученных Байером, входила медаль Дэви, присуждённая Лондонским королевским обществом. Он был членом Берлинской академии наук и Германского химического общества.

Последние годы жизни учёного были омрачены начавшейся мировой войной. Народ Германии нёс на плечах все тяготы кровавой бойни, и Байер тяжело переживал это. Он стал быстро дряхлеть, часто задыхался от сухого кашля, а вскоре и совсем слёг. 20 августа 1917 года Адольф Байер умер в своём загородном доме на Штарнбергском озере, неподалёку от Мюнхена.