En aquella época, se creía que los compuestos orgánicos e inorgánicos eran independientes unos de los otros, y que los compuestos orgánicos podían ser creados solamente por los organismos vívos. Kolbe creía que los compuestos orgánicos se podrían derivar de los inorgánicos, directamente o indirectamente, por procesos de sustitución. Comprobó su teoría convirtiendo el disulfuro de carbono, mediante varios pasos, en ácido acético (1843-45). Introduciendo una idea modificada de radicales estructurales, contribuyó al establecimiento de la teoría estructural. También, predijo la existencia de alcoholes secundarios y terciarios.
Trabajó en la electrólisis de las sales de los ácidos grasos y otros ácidos (electrólisis de Kolbe) y preparó el ácido salicílico, la base para hacer la aspirina en un proceso llamado síntesis de Kolbe o reacción de Kolbe-Schmitt.
Con Edward Frankland, Kolbe encontró que los nitrilos se pueden hidrolizar a los ácidos correspondientes. Como redactor del Journal für praktische Chemie (Diario de la química práctica, 1869), fue a veces un serio crítico del trabajo de otros.