Kekulés mest kjente verk var på strukturen til det organiske forbindelsen benzen. I 1865 publiserte Kekulé en artikkel på fransk (fordi han på denne tiden fortsatt bodde i den fransktalende delen av Belgia). Strukturen på benzen inneholdt en seks-leddet ring av karbonatomer med alternerende enkelt-og dobbeltbindinger. Det neste året publiserte han en mye lengre formel på tysk om samme tema. Den empiriske formelen for benzen hadde vært kjent lenge, men den svært umettede strukturen var en utfordring å bestemme.