Докторская диссертация. В 1878 г. Ф.М.Флавицкого увлекала идея синтеза терпенов . Тогда было известно, что терпены - это непредельные углеводороды состава C10H16 с одной или двумя двойными связями. Знали также о способности большей части терпенов и их производных вращать плоскость поляризации света. Но в целом, «химия терпенов была разработана еще очень слабо. Трудность выделения отдельных индивидуумов терпенов из их смесей, которые обычно представляют природные эфирные масла, изменчивость терпенов, склонность их к легким и глубоко идущим перегруппировкам служили причиной тому, что в номенклатуре терпенов долгое время царил полный хаос. Почти каждый исследователь выделял из исследуемого эфирного масла все новые и новые терпены и давал полученному соединению новое название. Одни и те же вещества поэтому носили различные названия и описывались как различные соединения и, наоборот, часто разные вещества отождествлялись с каким-либо одним терпеном» . Забегая вперед отметим, что одним из важных результатов докторской диссертации Флавицкого считают разработку четкой системы классификации терпенов по их химическим свойствам, а не по происхождению (примеры старых названий - пинен французского скипидара, лимонен, камфен и др.).
Допустив, что сочетания остатков C5 с кратными связями дают терпены (С5Н8)х, Флавицкий решил, что «окисление при умеренных условиях должно вернее всего привести к объяснению натуры терпенов» , важным считал и изучение летучих продуктов окисления. Бутлеров в октябре 1878 г. отмечал в письме: «Я совершенно согласен с тем, что исследование продуктов осторожного окисления терпенов - и притом всех продуктов - может многое выяснить» . В октябре 1878 г. он сделал от имени Флавицкого сообщение на заседании Русского химического общества и сообщил ему: «Ваши результаты и мысли, относящиеся к терпенам, очень меня заинтересовали». Примерно в феврале 1879 г. Флавицкий послал ему еще одну статью, на которую Бутлеров ответил: «...Несколько часов тому назад получил Ваше письмо и сообщение, дорогой Флавиан Михайлович. Они очень интересны: завтра с особенным удовольствием сделаю от Вашего имени сообщение в заседании. Я, правду сказать, давно сомневаюсь в точности наблюдений Бертело в современной транскрипции Бертло. – А.З.. Ваши же наблюдения теперь обещают упростить и разъяснить дело и связать терпены с другими углеводородами... От души желаю Вам полного и скорого успеха» .
В 1879 г. в С.-Петербурге состоялся съезд естествоиспытателей, на котором Ф.М.Флавицкий не смог присутствовать из-за материальных трудностей. Брат его, Н.М.Флавицкий, бывший на этом съезде, писал ему 29 декабря: «Начну с того, что сегодня Меншуткин сообщил твою работу на съезде, а Бутлеров говорил, что сообщит ее в Академии. Твоей работе придают большое значение и вообще к работам твоим относятся с уважением». В том же письме сделана приписка 1 января 1880 г.: «…Поздравляю с Новым годом и новым счастьем; хотя твоя работа, брат, сразу тебя поставила рядом с Бутлеровым и Зининым, как ты сам мог прочесть в газетах (Нов. Вр., Голос и пр.), а следовательно, и прошлый год для тебя был счастлив, но надеюсь, что следующий год принесет тебе еще бóльшую известность и бóльшую обеспеченность в материальном отношении». Всего за 1872-1879 гг. Бутлеров сделал за Флавицкого 12 сообщений на разного рода заседаниях (три в Академии наук), причем дважды при соучастии Зинина.
После трех лет напряженной работы Ф.М.Флавицкий обобщил свои исследования в докторской диссертации «О некоторых свойствах терпенов и их взаимных отношениях» . По словам Б.А.Арбузова, исследование «Ф.М. в значительной степени разъясняет сложную картину превращений, имеющую место при действии на d- и l-терпены (-пинены) хлористого водорода и соляной кислоты в различных средах, и приходит к противоположным выводам, нежели знаменитый французский химик М.Бертло, на природу так называемого жидкого монохлоргидрата» 1 (с. 53). Тезис Флавицкого категоричен: «Признавать существование жидкого монохлоргидрата нет никаких оснований» .
1 февраля 1881 г. в Казани состоялась защита Ф.М.Флавицким докторской диссертации. Основной оппонент - А. М.Зайцев - в заключительной части отзыва сказал: «Результаты, добытые Флавицким, вследствие крайне тщательных опытов, отличаются достаточной определенностью, что представляет, как показывает история, по отношению к терпенам большой научный подвиг. Если вопрос о строении терпенов и остался нерешенным, то исследование Флавицкого значительно приблизило его к решению» .Флавиан Михайлович писал родным, что на защите Зайцев «возражал немного, но дельно и с похвалами», и хотя диспут «по бестолковости Глинского» (второго оппонента) тянулся 3 часа, успех был полным.
Современники высоко оценили фундаментальный вклад Флавицкого в химию терпенов. Н.А.Меншуткин в 1894. подчеркнул: Ф.М.Флавицкий «первый указал, что в казавшемся нам бесконечным разнообразии терпенов повторяются немногие типы» (ЖРФХО. – Т. 26, приложение. - С. 35). Видный специалист по терпенам Ф.Земмлер поставил Ф.М.Флавицкого рядом с Е.Е.Вагнером, О.Валлахом, В.Байером и У.О.Тильденом. Докторская диссертация Флавицкого, по мнению Л.А.Чугаева, «по справедливости считается классической», она содержит «массу отдельных наблюдений, ценных мыслей, сближений и выводов, которые и были использованы последующими работниками в области терпенов» . А.Е.Арбузов оценил ее как «блестяще выполненное экспериментальное исследование в совершенно темной в то время области терпенов» , как большой шаг вперед в их изучении. Начиная с 1927 г., А.Е.Арбузов, а особенно Б.А.Арбузов, углубились в химию терпенов и, как писал Борис Александрович, их «первые работы... явились непосредственным продолжением работ Ф.М.Флавицкого» .
12 февраля факультет представил Флавицкого в экстраординарные  (э.о.) профессора. 14 февраля его утвердили доктором химии. Попытка получить кафедру в Киевском университете, к счастью для казанцев, не имела успеха, а в Казани ученому лишь год спустя увеличили доцентский оклад на 300 руб. в год.