В 1875 году, озабоченный стремлением достигнуть подъема в самые высокие слои атмосферы, Менделеев изобрел стратостат.
Впервые дав идею стратостата, он не ограничился этим и наметил схему его сооружения. Он предложил прикрепить к аэростату «герметически закрытый оплетенный упругий прибор для помещения наблюдателя, который будет тогда обеспечен сжатым воздухом и может безопасно для себя делать определения и управлять шаром».
Опередив своим предложением на полвека сооружение первого стратостата, Менделеев разработал план работ на новом воздушном корабле.
Но правительство не поддержало предложения Менделеева построить стратостат, не предоставив ему необходимых средств. Не сумели использовать даже более скромное предложение, также впервые сделанное Менделеевым: исследование верхних слоев атмосферы при помощи шаров-зондов с самопишущими приборами.
В 1875 году, опираясь на свои достижения, а также на лучшие достижения мировой техники, Менделеев разработал проект управляемого аэростата с баллонетом, рулями, воздушным винтом и произвел необходимые расчеты.
Средства на сооружение он пытался собрать «через продажу и распространение печатаемых им книг».
Побывав за рубежом, он встретился со знаменитыми новаторами, с которыми раньше хорошо был знаком по литературным источникам. В Англии он встречался с Глэшером, во Франции — с Дюпюи де Ломом, братьями Тиссандье, Ренаром, Татеном, Пено. Во время пребывания во Франции он совершил подъем на аэростате Жиффара.
Изучение работ Менделеева, посвященных освоению воздушной стихии, показывает, как глубоко и как далеко вперед он умел видеть. Посвятив большую часть своего труда воздушным кораблям, плавающим в воздухе, и вместе с тем работая в то время, когда единственным реальным средством для полета был аэростат, он ясно видел грядущее.
В 1878 году Менделеев, применяя термин «аэродинам» для обозначения летательного аппарата тяжелее воздуха, то есть для будущего самолета, писал: «Воздухоплавание бывает и будет двух родов: одно в аэростатах, другое в аэродинамах.
Первые легче воздуха и всплывают в нем. Вторые тяжелее его и тонут. Так рыба, недвижимая и мертвая, всплывает на воду, а птица тонет в воздухе. Подражать первой уже умеют в размерах, годных для практики. Подражание второй — еще в зародыше, в размерах негодных к жизни людей, подобных полету бабочки, детской игрушке. Но этот род воздухоплавания обещает наибольшую будущность, дешевизну (в аэростатах дорогие оболочка и газ) и, так сказать, указывается самой природой, потому что птица тяжелее воздуха и есть аэродинам».
История подтвердила гениальное предвидение Менделеева, отдавшего пальму первенства аэродинаму — самолету.
Одно из основных исследований, связанных с нуждами воздухоплавания — «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», издано Менделеевым в 1880 году. На основе критического учета мирового опыта и собственных исследований Менделеев выдвинул в этой работе много положений, подтвержденных в дальнейшем. Он впервые показал, какое большое значение имеет трение жидкостей и газов о поверхность обтекаемых ими тел. По крайней мере, на три десятка лет он опередил то, что впоследствии дал Л. Прандтль. Имея в виду эту книгу Менделеева, Н. Е. Жуковский сказал: «Русская литература обязана ему капитальной монографией по сопротивлению жидкостей, которая и теперь может служить основным руководством для лиц, занимающихся кораблестроением, воздухоплаванием или баллистикой».
В 1887 году Менделеев решил использовать воздушный шар для наблюдения солнечного затмения. В последнюю минуту выяснилось, что шар не может поднять и ученого и пилота, который должен был руководить полетом. Менделеев смело отправился без спутников и выполнил намеченные наблюдения. Этому отважному полету посвящена его работа «Воздушный полет из Клина во время затмения».
Лучший представитель науки, не отгораживавшийся от народа, а служивший ему, Менделеев сделал очень много, распространяя среди самых широких кругов общественности знания, способствующие покорению воздушной стихии. Он всегда внимательно относился к новаторам, помогал им. Вспомним его участие в 1877 году в делах одного из первых русских строителей самолетов А. Ф. Можайского, в делах строителя интересных моделей В. В. Котова в 1895 году. Вспомним и о том, как в 1890 году Д. И. Менделеев представил в Русское техническое общество проект цельнометаллического дирижабля К. Э. Циолковского, еще тогда заинтересовавшего Менделеева, но не признанный в то время другими учеными. Менделеев много помог родине как организатор работ по воздухоплаванию. В 1880 году по его почину был основан VII (воздухоплавательный) отдел Русского технического общества, выполнивший в дальнейшем чрезвычайно большую работу.