По итогам поездки он написал книгу «Нефтяная промышленность в североамериканском штате Пенсильвания и на Кавказе». Его перу также принадлежит брошюра «Где строить нефтяные заводы?». Нефтью Дмитрий Иванович занимался серьезно, приговаривая: «Без светоча науки и с нефтью будут потемки». Как теоретик, он высказал гипотезу минерального происхождения нефти из металлических карбидов. Как исследователь-практик, предложил принцип непрерывной дробной перегонки нефти, методы обработки и определения отдельных погонов, селективных растворителей, лично участвовал в проектировании первого нефтепровода между Баку и Батумом. Своими мероприятиями Менделеев добился, что русская нефтепромышленность на время опередила американскую. Правда, потом опять отстала из-за отсутствия капиталовложений на усовершенствование оборудования и развитие научно-исследовательской работы.
На третьем году супружеской жизни, когда материальное положение Менделеева упрочилось, он принял предложение приятеля и коллеги, профессора Технологического института Н. П. Ильина, разделить с ним покупку у разорившегося князя Дадиани маленького имения Боблово в Клинском уезде Московской губернии. Эта покупки привела к увлечению Дмитрия Ивановича сельским хозяйством до такой степени, что и в этом деле он стал профессионалом. У него там было опытное поле с пробами различных удобрений.
«Опыты Дмитрия Ивановича дали блестящий результат, — вспоминает жившая у него там племянница Н. Я. Капустина-Губкина. — Урожай получился такой, что крестьяне поражались. Их поля дали сам-четыре, сам-пять, а у него было сам-десять, сам-двенадцать.
Хорошо помню, как раз во дворе к Дмитрию Ивановичу пришли несколько мужиков по какому-то делу и, кончив его, спросили:
— Скажи-кася ты, Дмитрий Иваныч, хлеб-то у тебя как родился хорошо за Аржаным прудом… Талан это у тебя или счастье?
Я стояла тут же и видела, как весело и ясно сверкнули синие глаза Дмитрия Ивановича, он хитро усмехнулся и сказал:
— Канешно, братцы, талан. — С мужиками Дмитрий Иванович любил иногда поговорить на “о” и простонародной манерой, что очень шло к его русскому лицу.
Потом за обедом он, смеясь, рассказывал это большим и прибавил:
— Зачем же я скажу, что это только мое счастье. В талане заслуги больше…»
Через 6–7 лет при малых денежных затратах, путем введения многополья, хорошего удобрения, машин, правильного скотоводства Менделеев достиг блестящих результатов. Об этом свидетельствуют не только подлинные отчеты, но и тот факт, что профессора Стебут, Люгодовский привозили студентов Петровской (ныне Тимирязевской) сельскохозяйственной академии осматривать образцовое менделеевское хозяйство.
Во многих, более поздних высказываниях Менделеева и в его докладах в Вольном экономическом обществе сельскохозяйственные увлечения той поры выявляются во всех своих частностях. Помимо агрохимии, почвоведения, он был озабочен продвижением науки в народнохозяйственную жизнь. В обрывках «мыслей и мнений», собранных в «коробе воспоминаний» Капустиной-Губкиной, есть одно весьма примечательное высказывание Менделеева, неизвестно, впрочем, к какому периоду жизни относящееся. Он говорил как-то о том, что в будущем труд крестьян, вооруженных знанием и техникой, станет разновидностью умственного труда.
После назначения профессора Воскресенского попечителем Харьковского учебного округа Менделеев в октябре 1867 года получил в университете кафедру неорганической химии (он ее называл общей), которую возглавлял в течение 22 лет. Это период наибольшего расцвета его научной и педагогической деятельности.
Многие стремились в своих воспоминаниях передать образ Менделеева-профессора. Особенно ярко и эмоционально это получилось у его ученицы на Высших женских курсах, а впоследствии сотрудницы в Палате мер и весов О. Э. Озаровской: «С живописной львиной головой, с прекраснейшим лицом, опираясь на вытянутые руки с подогнутыми пальцами, стоит высокий и кряжистый Менделеев на кафедре… Если речь заурядного ученого можно уподобить чистенькому садику, где к чахлым былинкам на подпорочках подвешены этикетки, то речь Менделеева представляла собой чудо: у слушателя из зерен мыслей вырастали могучие стволы, ветвились, сходились вершинами, буйно цвели, и слушатели заваливались золотыми плодами. Про этих слушателей можно сказать одно: счастливцы!»
Готовясь к изложению своего предмета, Менделеев понял, что ему нужно создать не просто курс химии, а настоящую большую науку Химию, потому что она до того времени не была объединена общей теорией, не была согласована во всех своих частях. Записанные студентом Никитиным лекции обрабатывались, дополнялись, изменялись и в таком расширенном виде составили первый том капитального труда «Основы химии» (1868), а через три года появился и второй том.