В семилетием возрасте Менделеев поступает в гимназию, где проявляет большой интерес к математике, физике и истории, но по языкам, особенно латыни, часто получает «единицы» и «нули». Но вскоре, после того как в 1848 году сгорел стекольный завод, которым управляла М. Д. Менделеева, семья переезжает в Москву, к брату матери. Тобольская гимназия, где учился Дмитрий Менделеев, выпустившийся в 1849 году, принадлежала Казанскому, а не Московскому округу, поэтому его не приняли в Московский университет. Только после долгих хлопот товарищ отца помог Менделееву поступить в закрытое учебное заведение – Петербургский педагогический институт, на физико-математический факультет (с обязательством по окончании курса прослужить 8 лет там, где будет угодно начальству).
Когда Дмитрию Менделееву было всего 20 лет, вышла его первая печатная работа о составе минералов ортита и пироксена, а в следующем, 1855 году, он окончил институт с золотой медалью. Однако врачи ввиду слабости его здоровья посоветовали ему оставить Петербург, откуда Дмитрий Иванович переселился в Симферополь, а затем в Одессу, устроившись там учителем гимназии. В 1859 году, защитив диссертацию на степень магистра на тему «Об удельных объемах», Менделеев уехал за границу в двухгодичную научную командировку. В Гейдельберге он работал у известнейших физико-химиков того времени – Бунзена и Кирхгофа, и исследовал капиллярность, расширение жидкостей и температуру абсолютного кипения, впервые установив существование критической температуры кипения жидкостей. Там же, за рубежом, Менделеев опубликовал ряд выполненных им лабораторных исследований и познакомился со многими учеными. Возвратившись в Петербург, он погрузился в педагогическую, исследовательскую и литературную деятельность.
В связи с бурными успехами теории электролитической диссоциации Аррениуса и работами Вант-Гоффа взгляды Менделеева на растворы в качестве химических соединений между растворенным веществом и растворителем с изменяющимися соответственно составу свойствами и образованием определенных гидратов оспаривались многими крупными исследователями. Хотя позднейшие работы в этой области подтвердили наблюдения и выводы Менделеева о том, что гидраты существуют не только в твердом состоянии, но и в растворах, доказать свою правоту ему было очень трудно. Развитая и расширенная химическая теория растворов Дмитрия Ивановича Менделеева, согласованная с физическими теориями, известная ныне химикам под названием «сольватной» теории, служит теперь прекрасным дополнением к «физическим» теориям.
Во время работы над теорией растворов Менделеев собрал и привел к одинаковым условиям огромное количество (238 пар веществ!) опытных данных других исследователей. Глубоко рассмотрев и математически обработав их, он вывел ряд формул, выражающих зависимость между удельным весом и составом растворов.
Теоретические труды и собранные Дмитрием Ивановичем данные чрезвычайно пригодились лабораторной и заводской практике. Он вывел известную формулу теплотворной способности топлива.
Десятки крупнейших трудов Д. И. Менделеева были посвящены изучению новых путей развития российской промышленности и сельского хозяйства. Для Дмитрия Ивановича никогда не существовало противопоставления теоретической и прикладной науки, он постоянно заботился об издании различных технических руководств, справочников, энциклопедий, способствующих развитию отечественной промышленности.
Менделеев видел в нефти драгоценное сырье для получения большого количества очень нужных органических продуктов, он автор метафоры: «топить нефтью – топить ассигнациями», выдвинувший задачу использования природных газов.
«Наука и промышленность – вот тут мои мечты!» – писал Менделеев. В 1863 году он приступает к изучению нефтяного дела в Баку, и на протяжении многих лет разрабатывает вопрос о происхождении нефти, в результате чего выдвигает оригинальную теорию неорганического образования нефти через карбиды металлов. Изучая условия добычи и химической переработки нефти, Дмитрий Иванович Менделеев намечает перспективы развития кавказской нефтяной промышленности, страстно пропагандирует необходимость всемерного развития добычи и химической переработки нефти. Именно Менделеев предложил устройство нефтепроводов из Баку к Черному морю, которое было реализовано лишь после его смерти. Для морской и речной транспортировки нефти он предложил применение нефтеналивных судов, позже также вошедших в практику.