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.

Но, сделав это открытие, Д.И.Менделеев начинает интересоваться уже другой проблемой - коэффициентом расширения тел.

В Гейдельберге у Д.И.Менделеева была «интрижка» (по его выражению) с немецкой актрисой Агнессой Фойгтман, в результате которой он высылал в Германию деньги до тех пор, пока его родившаяся в Германии дочь не вышла замуж.

Во время пребывания в Германии Д.И.Менделеев участвует в работе первого Международного химического конгресса в Карсруэ, что явилось «решающим моментом в развитии моей мысли о периодическом законе», — написал он много лет спустя.

В 1861 году Д.И.Менделеев возвращается в Петербургский университет на кафедру органической химии, где пишет знаменитый учебник «Органическая химия», преподаёт во 2-м кадетском корпусе, в корпусе инженеров путей сообщения, в Военно-инженерном училище и в Военно-инженерной академии.

Об учебнике «Органическая Химия» Н.Н.Зинин сразу же сказал: «В год всё разойдётся». И действительно, в 1862 вышло её второе издание, а автор был удостоен «Демидовской премии», на которую (1000 рублей!) Д.И.Менделеев отправляется в свадебное путешествие по Европе. Было ему тогда 28 лет.

Д.И.Менделеев женится на Феозве Никитичне Лещёвой (чья фамилия иногда пишется как Лещова), к чему его довольно долго склоняла старшая сестра - Ольга Ивановна, бывшая замужем за декабристом Басаргиным и после ссылки вернувшаяся в Петербург. Феозва Никитична была старше Дмитрия Ивановича на 6 лет, характер и интересы их плохо гармонировали и, видимо, предчувствуя будущие трудности, Менделеев буквально в последний момент перед женитьбой попытался отказаться от неё. Но Ольга Ивановна пристыдила брата: «Вспомни ещё, что великий Гёте говорил: "Нет больше греха, как обмануть девушку". Ты помолвлен. Объявлен женихом, в каком положении будет она, если ты теперь откажешь?»

«Менделеев уступил сестре, и эта уступка повлекла за собой затянувшиеся на много лет и мучительные для обоих супругов отношения. Конечно, выяснилось это не сразу...» («50 гениев, которые изменили мир», Харьков, «Фолио», 2003).

В этом же году в «Учёных записках Казанского университета» Д.И.Менделеев писал: «Все воззрения, встреченные мною в Западной Европе, представляли для меня мало нового...».

В 1865 году Д.И.Менделеев защищает докторскую диссертацию «О соединении спирта с водой», в которой он изложил свою теорию растворов, в результате чего возникли слухи, что он нашёл секрет приготовления русской водки и что Менделеев якобы заработал огромные деньги, изготовляя поддельные французские вина для магазинов Елисеева.

Но что является бесспорным фактом, так это то, что его измерения были положены в основу алкоголиметрии в Голландии, Германии, Австрии, России.

В этом же году вскоре после рождения сына Владимира (впоследствии выпускника Морского корпуса) Д.И.Менделеев совместно с профессором Н. Ильиным покупает маленькое имение Боблово около Клина, и с 1866 года вся дальнейшая жизнь его была связана с Бобловым, куда его семья (жена, сын Владимир и дочь Ольга, родившаяся в 1868 году) выезжала ранней весной и возвращалась в Петербург поздней осенью.

После защиты докторской диссертации Д.И.Менделеев возвращается в Петербургский университет, возглавив кафедру общей химии.

Здесь он читает совершенно удивительные лекции, интенсивно ведёт эксперименты, пишет знаменитый труд «Основы химии», где «много самостоятельного в мелочах, а главное - периодичность элементов, найденная именно при обработке «Основ химии». «"Основы" - любимое моё дитя. В них мой образ, мой опыт педагога и мои задушевные мысли», — писал Д.И.Менделеев.