Ladenburg studierte Mathematik und moderne Sprachen in Karlsruhe, danach Chemie und Physik in Heidelberg und schließlich Physik in Berlin. Er promovierte zum Dr. phil. in Heidelberg.

In Gent hielt sich Ladenburg ein halbes Jahr bei Kekulé auf, der ihn mit der Strukturchemie vertraut machte. Danach arbeitete er 18 Monate lang in Paris gemeinsam mit Charles Friedel über siliziumorganische Verbindungen und danach allein weiter über zinnorganische Verbindungen. Durch seine Arbeiten habilitierte er in Heidelberg ohne besondere Habilitationsschrift.

Ladenburg war gemeinsam mit Kekulé an der Diskussion zur Aufklärung der Strukturformel des Benzol beteiligt. Seine Vorstellung eines prismatischen Moleküls waren zwar falsch, doch die von ihm vorgeschlagene Struktur konnte 1973 als Prisman synthetisiert werden.

1900 gründete Ladenburg die Chemische Gesellschaft Breslau, die er bis 1910 auch leitete.