Для Володи Дмитрий Иванович готов был делать и делал то, чем не стал бы заниматься ни для кого другого. Так, в тяжелые для него 1880-е годы он выкроил время, чтобы прочесть курс лекции по химии для Володи и его друга по Морскому корпусу Езопа — так прозвали у Менделеевых будущего кораблестроителя академика А. Крылова. Будучи посвящен в самые сокровенные тайны своего любимца, Дмитрий Иванович знал о глубокой душевной драме, постигшей Володю в 1889 году: девушка, которую он любил, неожиданно вышла замуж, нарушив данное Володе слово. И чтобы облегчить переживания сына, помочь ему забыться, Дмитрий Иванович пересилил себя и пошел на поклон к шефу русского флота великому князю Алексею Александровичу и к морскому министру Н. Чихачеву. Ему удалось добиться своего: Володю назначили на полуброненосный фрегат «Память Азова», на котором наследник престола должен был совершить путешествие на Дальний Восток.
Фрегат уходил из Кронштадта осенью 1890 года. В день ухода с моря дул сильный ветер, разогнавший большую волну. На рейде сильно качало, но ничто не могло удержать Дмитрия Ивановича и Феозву Никитичну от намерения проститься с сыном. Дочь Ольга, заехавшая вечером этого дня к отцу, застала его грустным, одиноко сидящим в своем кабинете: он почему-то был уверен, что не дождется возвращения Володи и никогда больше не увидит его. Но предчувствия обманули его. Володя во время плавания часто писал отцу. «Его письма очень занимательны», — с удовольствием говорил Менделеев, снова и снова перечитывал обстоятельные письма сына с описаниями Греции, Египта, Индии, Цейлона, Батавии, Японии.
Плавание на «Памяти Азова» открыло перед Володей пути к быстрой карьере, но в 1893 году резкое столкновение с Г. Чухниным, будущим адмиралом, печально прославившим себя расстрелами в 1905 году, побудило его оставить военную службу и посвятить себя делу развития русского торгового флота. Володя всегда был готов по просьбе отца провести то или иное химическое исследование, сделать нужные отцу расчеты, собрать литературу по интересующему отца вопросу. Должность инспектора мореходных классов была ему тем более приятна, что в эти годы Дмитрия Ивановича продолжали интересовать способы поощрения мореходства и судостроения в России, которыми он начал заниматься еще в 1891 году.
В начале 1898 года Володя объехал училища, расположенные по берегам Белого моря, — убедился, что на севере можно создать мореходные училища, которые сильно помогли бы быстрому росту русского морского торгового флота. В октябре и ноябре 1898 года он объехал мореходные училища Азовского моря и восточных берегов Черного моря. 8 декабря он, еще не подозревая, что легкое недомогание кончится смертельным воспалением легких, делился с отцом впечатлениями о поездке… И вот через каких-нибудь десять дней «не стало моего милого сына… Погиб мой умница, любящий, мягкий, добродушный сын — первенец, на которого я рассчитывал возложить часть своих заветов, так как знал неизвестные окружающим высокие и правдивые, скромные и в тоже время глубокие мысли на пользу родины, которыми был он проникнут».
По-видимому, после смерти Володи для Анны Ивановны навсегда захлопнулось сердце мужа. Он не мог простить ей того, что она утаила письма. «Я все могу вынести, что суждено, — крикнул он ей. — Как мне не сказали сразу, разве я так слаб? Я бы застал Володю еще живым!»
Смерть сына так сильно потрясла Дмитрия Ивановича, что он не смог даже быть на похоронах. Когда вернувшаяся с кладбища Ольга вошла к нему в кабинет, когда он увидел ее, он быстро закрыл лицо руками и заплакал. «Я, здороваясь с ним, прижалась к его голове, и мы долго молчали, — вспоминала дочь. — Потом он провел по моей голове рукой, нежно задержав ее, и нервно откинулся всем туловищем на спинку кресла. «Теперь уж Володе хорошо, — сказала я, — он прошел все самое страшное и знает все, чего мы не знаем, ему там будет легко». Отец опустил глаза и тихо произнес: «А есть ли там что-нибудь, кто знает?..»
В 1896 году Володя женился на Варваре Кирилловне Лемох, дочери довольно известного тогда художника К. Лемоха. Спустя год у них родился сын, названный в честь деда Дмитрием. И вот, 24 декабря, через пять дней после смерти Володи, Менделеев решается написать невестке такое письмо:
«Милая, родная Варвара Кирилловна!
Отдайте мне Митюшу, Христа ради. Это была бы радость моя, и мне кажется, все бы устроилось наилучшим образом. Буду лелеять его как сына. Вы самостоятельны. Приезжайте, пожалуйста. Устроим сразу.
Дай бог, чтобы душа Ваша откликнулась на зов душевно преданного вам
21 декабря 1898 г. Поздравляю Вас с праздником, сделайте и мне его».