В 1867 году Д.И.Менделеев вошёл в состав комитета, которому предстояло организовать русский павильон на Всемирной промышленной выставке во Франции. Результатом этого явился отчёт под названием: «О современном развитии некоторых химических производств в применении к России и по поводу Всемирной выставки 1867 года».

Д.И.Менделеев стремился к развитию в России «большой» принципиальной науки, что в настоящее время называется «фундаментальными исследованиями», для развития которых в современной нищей, демократической России организован Российский Фонд Фундаментальных Исследований.

В 1869 году в Боблове вместо старого деревянного дома Д.И.Менделеев выстроил новый - каменный с деревянным верхом, с шестью комнатами в нижнем этаже и с его книгами, приборами, инструментами - на втором.

В Боблове у Менделеева был образцовый скотный двор с племенным скотом, молочная, конюшня, опытное поле с пробами различных удобрений, куплена молотилка. Менделеев предполагал также с помощью «Вольного экономического общества» осуществить сельскохозяйственные опыты в шести местностях России в течение нескольких лет, но это удалось сделать только в двух местах за три года. Одним из таких мест было опытное поле Д.И.Менделеева.

И уже в 1869 году, когда ему было 35 лет, Д.И.Менделеев знакомит многих химиков со статьёй «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» и докладывает эту работу на заседании только что созданного Русского химического общества. После дальнейшей доработки в 1871 году появилась его знаменитая статья «Периодический закон для химических элементов» -«в ней Д.И.Менделеев даёт периодическую систему, по существу, в её современной форме и предсказывает открытие новых элементов... Для них он оставляет в таблице "пустые места" ».

Мало того, уяснение периодической зависимости позволило Менделееву исправить атомные веса 11 элементов и изменить в исходной системе местоположение 20 элементов. Он не только предсказал существование 11 ещё не открытых элементов, но и дал подробнейшее описание свойств трёх из них, которые, как он считал, будут открыты раньше других.

Сам Д.И.Менделеев так оценивал сделанное открытие: «Это лучший свод моих взглядов и соображений о периодичности элементов и оригинал, по которому писалось потом так много про эту систему".

Говорят, Д.И.Менделеев открыл свой Периодический закон во сне, когда ему приснилась эта стройная система, но каждый учёный, занимающийся каким-то исследованием, знает, что решение проблемы, над которой постоянно думаешь, может прийти в самый неожиданный момент, что дневные раздумья не оставляют и во сне. Иногда приходится слышать, что Периодический закон был открыт ещё до Д.И.Менделеева, и при этом чаще всего упоминается имя Лотара Мейера, но Менделеев отмечал, что до него были «некоторые зародыши периодического закона», которые не идут ни в какое сравнение со стройной (и современной) системой Д.И.Менделеева. А Лотар Мейер писал: «Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев».

После открытия Периодического закона Дмитрий Иванович расширяет сферы своих научных интересов. Его волнуют проблемы, не только связанные с химией, но и касающиеся общих аспектов развития производительных сил и научной мысли России. Здесь в полной мере проявились огромная эрудиция Д.И.Менделеева, энциклопедичность ума, гражданственность позиции.

«Разносторонность интересов, умение везде оставить печать своего таланта, какая-то удивительная способность внешне легко достигать подлинных высот в познании предмета, несомненно, роднят его с Леонардо да Винчи, Михаилом Васильевичем Ломоносовым... Сам же Дмитрий Иванович говорил об этом просто: "Сам удивляюсь, чего только я ни делывал на своей научной жизни" » (академик Ю.А.Овчинников).

Менделеев много ездил по России, видел необходимость превращения сельскохозяйственной страны в индустриальную державу, пробуждал патриотические настроения и силы русского общества. По возвращении из США Д.И.Менделеев отмечал: «...Нашим бакинским... техникам нечему учиться у американцев относительно перегонки, можно если что позаимствовать, так это некоторые механические приспособления».

В 1877 году уже после приезда Д.И.Менделеева из США в его университетскую квартиру переехала его сестра - Екатерина Ивановна Капустина с детьми и внучкой. Вскоре в семье Капустиных появляется новый человек - донская казачка 17-летняя Анна Ивановна Попова, дочь отставного казачьего полковника. Девушка немного играла, немного рисовала и поступила в Русскую Академию художеств, а после переезда Капустиных в квартиру Д.И.Менделеева (где у него была своя половина с проходом в кабинет, лабораторию и помещения университета) у Менделеева появилась возможность часто встречаться с А.И.Поповой на «семейной половине» квартиры.

После переезда А.И.Поповой в отдельную квартиру и после возвращения к Капустиным эти встречи не прекратились, так как она появлялась на «менделеевских вечерах», на которые собирались люди, близкие хозяину квартиры, представители науки и искусства. Художественные магазины присылали к менделеевским «средам» новые издания.

В 1880 году Д.И.Менделеев не был избран членом Академии Наук, но к этому времени стараниями А.М.Бутлерова и Н.Н.Зенина членами-корреспондентами Российской академии наук были избраны университетские профессора, в том числе и Д.И.Менделеев (1876 год). Вместо него академиком стал швед Баклунд (не знавший русского языка), а затем Ф.Ф.Бейльштейн - автор справочника по органической химии.

А.М.Бутлеров, представляя кандидата в академики, сказал: «Профессор Менделеев первенствует в русской химии, и мы смеем думать, разделяя мнение русских химиков, что ему принадлежит по праву место в первенствующем учёном сословии Российской империи...» (цитируется по книге В.Чумакова «Гимн, Юбилей-50, Лицемерие, рассказы и эссе», М., «Грантъ», 2001).

По предположениям А.М.Бутлерова против избрания Д.И.Менделеева академиком голосовали Литке (два голоса), Веселовский, Гельмерсен, Шренк, Максимович, Штраух, Шмидт, Вильд, Гадолин. За него голосовали Буняковский, Кокшаров, Бутлеров, Фаминцын, Овсянников, Чебышев, Алексеев, Струве, Савич.

Выходило, что Д.И.Менделеев не был избран потому, что был русским. Сам же Ф.Ф.Бейльштейн не раз говорил: «У нас в России больше нет талантов таких могучих, как Менделеев», что не мешало ему занимать место Д.И.Менделеева в Академии Наук.

Этот факт отразил не только состояние дел в Академии Наук того периода, но и организационную слабость русских научных кругов и печати, которые не могли противостоять проникновению в Академию учёных, отнюдь не являющихся гордостью русской науки. К сожалению, аналогичные проблемы существуют и в современной нашей действительности, в частности, и в Российской Академии Наук.

В 1880 году А.И.Попова уехала на стажировку в Италию, а жена Д.И.Менделеева Феозва Никитична дала своё согласие на развод, после чего он вместо съезда химиков в Алжире оказался в Италии, затем вместе с А.И.Поповой Менделеев уехал в Каир, Испанию, на Волгу; они решили, пока будет длиться дело о разводе, в Петербурге вместе не показываться.

Лето 1881 года Феозва Никитична провела с дочерью Ольгой в Боблове, затем они въехали в новую квартиру в Петербурге, которую Д.И.Менделеев им снял и полностью обставил, предоставил Феозве Никитичне своё университетское жалование, а позднее построил им дачу в Ораниенбауме на берегу Финского залива.

Дело о разводе закончилось тем, что в наказание на Д.И.Менделеева было наложено семилетнее церковное покаяние, в период которого он не имел права жениться вторично. Но в январе 1882 года священник Адмиралтейской церкви в Кронштадте обвенчал Дмитрия Ивановича Менделеева с Анной Ивановной Поповой, за что уже на следующий день был лишён сана.