Liberális nézetei miatt nem választották meg akadémikusnak

Értelmiségi családból származott, nagyapja nyomtatta az első szibériai újságot, apja a tobolszki gimnázium igazgatója volt. Apja halála után a család elszegényedett, Mengyelejev csak a pétervári tanárképző főiskolát végezhette el. 1857-ben egyetemi oktatónak nevezték ki, két év múlva állami ösztöndíjjal Heidelbergbe küldték, ahol Bunsennel dolgozott, a molekulák kohézióját és a spektroszkópot tanulmányozta. Hazatérve a Szentpétervári Egyetem általános kémiai tanszékének vezetője lett, s megírta A kémia alapjai című munkáját - ez nemcsak a legjobb orosz nyelvű kémiakönyv, de a valaha írt egyik legszokatlanabb is, mivel több mint felét a túlburjánzó lábjegyzetek foglalják el.

Mengyelejev nem az első volt, aki vizsgálni kezdte a kémiai elemek atomsúlyai közötti kapcsolatokat, de elsőként vette észre, hogy ha az elemeket növekvő atomsúly szerint rendezzük, a táblázat a fizikai-kémiai jellemzők periodikusságát mutatja. A periódusos rendszerben a vízszintes sorokat periódusnak, a nyolc függőleges oszlopot csoportoknak nevezik, utóbbiak a hasonló tulajdonságú elemeket tartalmazzák. Mengyelejev a rendszer logikája alapján meg merte változtatni az egyes elemek sorrendjét, az akkor ismert 63 elem mellett üres helyeket hagyott, sőt még az oda illő új elemek tulajdonságait is megjósolta - nyugaton ezért orosz miszticizmusnak minősítették publikációját. 1875-ben aztán felfedezték az általa ekaaluminiumnak nevezett galliumot, amely fizikai tulajdonságaival pontosan beleillett az üresen hagyott rubrikába, majd néhány év múlva a germániumot és szkandiumot is.

Mengyelejev egycsapásra a világ legismertebb és legelismertebb vegyésze lett. 1867-ben Párizsban szerzett ismereteket az orosz szódagyártás fejlesztéséhez, 1876-ban Amerikában a kőolajbányászatot tanulmányozta a kaukázusi kőolaj-kitermelés megszervezése érdekében. Nagy szerepe volt a donyecki kőszénmezők feltárásában és kiaknázásában, s ő dolgozta ki az ásványi szenek fűtőértékét meghatározó eljárást.

1860-ban felfedezte a kritikus hőmérsékletet, amely felett a gázok nem cseppfolyósíthatóak, felismerte az általános gáztörvényt: a nyomás, hőmérséklet és térfogat kapcsolatát, feltalált egy füst nélküli lőport, s nagy érdemeket szerzett az állami mérésügy vezetőjeként. Léghajóval is kísérletezett, 1887-ben teljesen egyedül fényképezett le egy napfogyatkozást, s bár a jármű kezeléséről semmit sem tudott, biztonságban ért földet.

Liberális nézetei miatt 1880-ban nem választották meg akadémikusnak, 1890-ben a diákság egy petíciójának támogatása miatt nyugdíjazták. 1906-ban, néhány hónappal halála előtt felmerült a neve a Nobel-díj kapcsán, de a kitüntetést a francia Henri Moissan kapta.

Mengyelejev 73 éves korában, 1907. február 2-án halt meg Szentpétervárott. Tiszteletére nevezték el a periódusos rendszer 1955-ben felfedezett, 101-es rendszámú elemét mendeléviumnak.