В 1832 г. Алексей Иванович окончил морской кадетский корпус, откуда выпущен мичманом. Ежегодно плавал по Балтийскому морю в наших, а также в иностранных водах.

Бутаков совершил кругосветное плавание на транспорте «Або» в 1840–1842 гг. по маршруту Кронштадт – мыс Доброй Надежды – Камчатка, а оттуда кругом мыса Горн обратно в Кронштадт.

Свое плавание Бутаков подробно описал в «Отечественных записках» за 1844 г. Работа эта изложена хорошим литературным языком и читается с большим интересом.

Транспорт «Або», построенный на верфи Або из сосны в начале 1840 г., имел водоизмещение 800 т, длину 39 м. Командовал им капитан-лейтенант А.Л. Юнкер. Военный транспорт «Або» был предназначен для отвоза разных материалов в Петропавловск-на-Камчатке. При отплытии из Кронштадта 5 (17) сентября 1840 г. экипаж корабля состоял; из 82 человек.

Первую после Плимута остановку «Або» имел в Столовой бухте у мыса Доброй Надежды, куда прибыл в начале февраля 1841 г. Близ мыса Доброй Надежды в те времена находилась стоянка крейсеров, наблюдавших за недопущением торговли неграми, вывозимыми с мозамбикского берега, преимущественно в Бразилию. Бутаков с негодованием описывает те неслыханные жестокости, которые совершали капитаны судов, перевозивших негров. «Во время нашей стоянки в Капе, – говорит Бутаков, – пришел английский бриг, захвативший в Мозамбикском канале большое португальское судно “Скорпион” со 130 неграми. Надобно заметить, что “негрер” (судно, торгующее неграми) для задержания погони беспрестанно выбрасывал негров, из которых крейсеру удалось спасти около 50 человек; без сомнения, много несчастных еще утонуло или было съедено акулами. По показанию негров, около 170 было выброшено за борт».

В начале мая прибыли к Никобарским островам (к западу от Малакки), которые в то время датчане считали своей территорией. Вступили в мирные сношения с туземцами.

22 мая 1841 г., после двухнедельного пребывания, покинули Никобарские острова и направились на восток. На островах много матросов заболело тропической лихорадкой, которая для пятерых окончилась смертью во время перехода Малаккским проливом до Сингапура. Больных было более двадцати.

20 сентября 1841 г. стали на якорь в Петропавловске-на-Камчатке, через год после отплытия из Кронштадта. Бутаков дает живое описание природы Камчатки и быта ее населения. Вот как он изображает Петропавловск в свое посещение 1841 г. «Население Петропавловского порта, полагаемое до 500 человек обоего пола, состоит почти исключительно из служащих. Они живут в небольших деревянных домиках из тополевого или березового леса, не обшитых тесом и крытых по большей части шеламайником (это камчатская таволга, высокая трава, вырастающая за один месяц до 2 м, очень характерная для Камчатки). Каменных строений здесь нет, во-первых, из-за недостатка в кирпиче, а во-вторых – из-за землетрясений».

Выгрузив материалы, 6 ноября 1841 г. судно вышло в море, в обратный путь, направив курс к мысу Горн. Свыше 20 дней испытывали жестокие штормы. 23 декабря вкатился с кормы огромный вал, наделавший много разрушений; разломало два 10-весельных катера, залило жилую палубу и каюты.

На рейде в Рио-де-Жанейро стояли английские крейсеры, обязанностью которых было захватывать суда, ведущие торговлю неграми. «Но, несмотря на это, бесчеловечный торг невольниками, – говорит Бутаков, – продолжается. Негров ввозят отчасти при содействии правительства, которое, невзирая на трактаты, смотрит на это сквозь пальцы».

25 октября 1842 г. стали на якорь в Кронштадте. Из экипажа в 82 человека вернулись домой только 59. Ни одно из русских кругосветных плаваний не сопровождалось столькими бедствиями. Во время плавания Индийским и Тихим океанами перенесли много сильных штормов. Команда сильно страдала от цинги. Когда пришли в Рио-де-Жанейро, было всего пять человек здоровых, и на работу выходило еще десятеро, едва живых.

Алексей Иванович вернулся из этого плавания опытным моряком. Бутаков своими способностями и благородным характером еще до кругосветного плавания обратил на себя внимание. Адмирал Ф.П. Литке писал относительно Алексея Ивановича русскому послу Ломоносову в Рио-де-Жанейро следующее: «Лейтенант Бутаков – интеллигентный и образованный молодой человек. Я прошу вас оказать ему содействие и доставить возможность провести свое время с пользою. Я не знаю Бутакова лично, но мне о нем говорили много хорошего».

В начале 1848 г. Алексей Иванович был назначен для съемки и описи Аральского моря. Бутакова рекомендовал князю А.С. Меншикову, фактическому главе морского ведомства, знаменитый кругосветный мореплаватель Ф.Ф. Беллинсгаузен.

Для этого в Оренбурге под наблюдением Бутакова была построена весною 1848 г. двухпушечная шхуна «Константин» длиною 16 м. 20 июля она была доставлена на Сырдарью, в укрепление Раим, в 64 км от устья, и здесь спущена на воду. 30 июля шхуна вышла в море для описи; на ней находились начальник экспедиции А.И. Бутаков, А.И. Макшеев, впоследствии известный исследователь Средней Азии, прапорщик К.Е. Поспелов и др. Всего экипаж судна состоял из 27 человек. Среди них находился бывший в ссылке поэт-рядовой Т.Г. Шевченко, рисовавший виды Аральского моря.

Кампания 1848 г. продолжалась почти два месяца. Результатом ее была общая рекогносцировка всего моря, промер глубин, определение широт, открытие группы островов Возрождения (Николая).

Первое сообщение о плавании по Аральскому морю Бутаков послал родителям в Николаев 13 августа 1848 г. с острова Барса-Кельмес («пойдешь – не вернешься»), что в северной части моря.

23 сентября шхуна «Константин» вернулась в устье Сыр-Дарьи, закончив кампанию 1848 г.

Острова Возрождения (Николая) были открыты Бутаковым 8 (20) сентября 1848 г. До этого сюда не ступала нога человеческая, и вообще об острове ничего не было известно, так как с берегов моря он не виден. Когда Бутаков впервые высадился на остров, сайгаки с удивлением смотрели на людей, подпускали к себе очень близко и не разбегались даже после выстрела. Но в начале XX столетия сайгаки на острове Возрождения были окончательно выбиты. Когда-то остров Возрождения был сплошь покрыт зарослями саксаула – этого полудерева-полукустарника, дающего прекрасное топливо.

Впоследствии, по инициативе Бутакова, на Аральском море было заведено пароходство.

На основании съемок 1848–1849 гг. Бутакова и Поспелова в 1850 г. Гидрографическим департаментом Морского министерства была напечатана морская карта Аральского моря.

Общественные взгляды А.И. Бутакова характеризуют его взаимоотношения с великим украинским поэтом Тарасом Григорьевичем Шевченко. За революционную деятельность поэт и художник был сослан рядовым в Орскую крепость с запрещением что-либо писать и рисовать.

Находясь в 1848 г. в Оренбурге, Бутаков узнал, что Шевченко живет в Орске. Алексей Иванович обратился к начальнику Оренбургского края генералу Владимиру Афанасьевичу Обручеву с просьбой откомандировать рядового Шевченко в распоряжение аральской описной экспедиции для зарисовки береговых видов Аральского моря. Обручев, в нарушение вышеупомянутого распоряжения, согласился.