Отец Дмитрия Ивановича работал в Тобольске после окончания Петербургского Педагогического института и женился на Марии Дмитриевне Корнильевой, происходившей из рода именитых купцов, которые в 1789 году открыли первую в Тобольске типографию.
В год рождения последнего ребёнка Иван Павлович ослеп и оставил службу, а все заботы о семье легли на мать - Марию Дмитриевну, которая после переезда всех в село Аремзянское стала управлять небольшим стекольным заводом, принадлежавшим её брату и выпускавшим аптекарскую посуду.
В 1847 году после смерти Ивана Павловича мать с детьми переехала в Москву, где (несмотря на настойчивые попытки) поступить в Московский университет Дмитрий Менделеев не мог, так как по правилам тех времён выпускник гимназии мог поступить в университет только своего округа, а Тобольская гимназия относилась к Казанскому округу.
После трёхлетних хлопот Менделеев поступает в Петербурге (1850 г.) в Главный педагогический институт на физико-математический факультет. В Петербурге после смерти матери (1850) и сестры (1852) Д.И.Менделеев остаётся один.
В институте Д.И.Менделеев полюбил химию, но «после первого же года вступления в него со мной приключилось кровохарканье, которое продолжалось во всё остальное время моего там пребывания», — отмечает он в своей книге «Заветные мысли». Врачи квалифицируют заболевание как туберкулез в открытой форме и считают, что дни его сочтены, «он подолгу лежал в институтском изоляторе и много читал, стремясь не отстать от курса. Институтский врач однажды, думая, что больной спит, бросил: "Этот уже не поднимется" » (Р.Баландин, предисловие к книге Д.И.Менделеева «К познанию России», М., 2002)
Но всё это не помешало Д.И.Менделееву закончить в 1855 году отделение естественных наук физико-математического факультета с золотой медалью.
Уже его первая, ещё студенческая работа, была опубликована в научном журнале по горному делу (химических журналов тогда в России ещё не было). В ней Д.И.Менделееву удалось добавить к уже известным новые сведения о поведении изоморфных (изоморфизм - способность веществ, аналогичных по химическому составу и кристаллической форме, давать соединения переменного состава, так называемые смешанные кристаллы) кристаллов, что впоследствии нашло продолжение в его исследованиях растворов, заложивших основу целого направления в русской и мировой химии.
После окончания института Менделеев уезжает (как сказали бы в советское время — по распределению) в Крым, простившись с сестрами Лещёвыми - падчерицами инспектора Тобольской гимназии П.Ершова - автора «Конька-Горбунка» (одна из трёх сестёр впоследствии стала его женой).
С большим трудом Менделеев попадает на приём к знаменитому русскому хирургу Н.И.Пирогову (вспомним, в это время шла Крымская война, и у Пирогова не было времени для приёма штатских пациентов), который обнаружил у него болезнь сердца, не представляющую особой опасности — порок сердечного клапана. "Это был врач! " — много раз в своей жизни восхищённо повторял Менделеев, вспоминая Пирогова» (О.Писаржевский, «Дмитрий Иванович Менделеев», «Молодая гвардия», 1949).
Затем следует работа в Одессе, а после защиты магистерской диссертации он получает звание приват-доцента в Петербургском университете.
В 1859 году по рекомендации своего учителя - «дедушки русской химии» А.А.Воскресенского - Д.И.Менделеев едет в заграничную командировку в Германию, Францию и Италию.
После первых месяцев поездки Д.И.Менделеев решает остаться в Гейдельберге (Германия), где работали известные химики и существовала многочисленная русская колония.
В Гейдельберге работал в то время прославленный немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899), известный своими исследованиями в области неорганической, аналитической и физической <химии. Он изобрёл угольно-цинковый гальванический элемент, с помощью которого получил металлические магний, литий, кальций, стронций и барий, разработал методы газового анализа. Совместно с Р.Кирхгофом заложил основы спектрального анализа и открыл цезий и рубидий, а также создал ряд лабораторных приборов, среди которых была и газовая горелка (носящая его имя).
Недолгая работа Д.И.Менделеева показала, что в прославленной бунзеновской лаборатории нет необходимых ему приборов, что даже весы «куда как плоховаты», что «все интересы этой лаборатории, увы, самые школьные». И Дмитрий Иванович устраивает собственную домашнюю лабораторию, заказав ряд точных приборов в Германии и во Франции, куда он специально для этого выезжал.
В Гейдельберге Д.И.Менделеев открыл температуру абсолютного кипения (через 10 лет получившую в работах Эндрюса название критической температуры), исследовал капиллярность — процесс, в котором проявляется действие сил сцепления, по которым, как считал Менделеев, можно судить о свойствах атомов, об их сходствах и различиях. Менделеев показал, что пар, нагретый до температуры абсолютного кипения, никаким повышением давления невозможно превратить в жидкость.