Mendelejew ist das jüngste Kind von Maria Dmitrievna Korniliev und dem Gymnasiallehrer Ivan Pavlovitch Mendelejew. Als er vierzehn Jahre alt war, verstarb sein Vater und die Familie verzog nach St. Petersburg. Hier besuchte er als Stipendiat des russischen Staates ab 1850 die Universität. Nach seiner Graduierung 1855 heilte er in Simferopol nahe dem Schwarzen Meer eine Tuberkulose aus. Während dieser Zeit arbeitete er als naturwissenschaftlicher Leiter (Oberlehrer) am örtlichen Gymnasium, später in Odessa. 1856 kehrte er geheilt nach St. Petersburg zurück und verteidigte in dem gleichen Jahr seine Dissertation sowie auch seine Habilitationsschrift. In der Folgezeit arbeitete er als Privatdozent.

Zwischen 1859 und 1861 arbeitete Mendelejew in Paris über die Dichte der Gase und in Heidelberg beschäftigte er sich bei Gustav Robert Kirchhoff mit der neuen Behandlungsmethode der Spektroskopie.

1860 nahm er, ebenso wie Lothar Meyer, an dem ersten großen internationalen Chemikertreffen in Karlsruhe teil, in dessen Folge die Grundbegriffe wie Atom, Molekül und Wertigkeit einheitlich definiert wurden.

Nach seiner Rückkehr nach St. Petersburg wurde er 1863 zu dem Professor für Chemie am Technologischen Institut von St. Petersburg ernannt. In dem gleichen Jahr heiratete er Feozva Nikitchna Lascheva. 1867 wurde er zu dem Professor für Chemie an der Universität St. Petersburg ernannt.

Als 1866 Newlands sein Gesetz der Oktaven veröffentlichte, arbeitete Mendelejew in dem Rahmen eines Buchprojektes an der gleichen Idee. Am 6. März 1869 stellte er sein Periodensystem unter dem Titel Die Abhängigkeit der chemischen Merkmalen der Elemente vom Atomgewicht der Russischen Gesellschaft für Chemie vor, fand jedoch wenig Zustimmung.

Unabhängig von Mendelejew entwickelte Lothar Meyer eine ähnliche Tabelle der Elemente. So können beide als Begründer des Periodensystems angesehen werden. Erst einmal jedoch entbrannte zwischen beiden ein Prioritätsstreit. 1882 wurde Mendelejew und Meyer für die Aufstellung des Periodensystems die goldene Davy-Medaille verliehen.

Zusätzlich betätigte sich Mendelejew als Techniker, Sozialpolitiker und Nationalökonom.

Trotz internationaler Ehrungen durch wissenschaftliche Organisationen musste Mendelejew 1890 wegen fortschrittlicher politischer Forderungen von seinem Lehramt zurücktreten. 1893 wurde er zu dem Direktor des Russischen Amtes für Maße und Gewichte ernannt, dem er bis zu seinem Tod vorstand.

Die größte Leistung Mendelejews ist die Vehemenz, mit der er sein oder das Periodensystem der chemischen Elemente, das er Gesetz nannte, vor allen Dingen publizistisch vertrat. Aus der gleichen Motivation heraus wie Lothar Meyer, Studenten die Chemie nahezubringen, schrieben beide ein Lehrbuch der Chemie in denen sie versuchten die Elemente systematisch darzustellen. Hierzu konnten beide auf Publikationen anderer Chemiker aufbauen, auch bezüglich tabellarischer Darstellungen der Elemente.

Die Kernthesen zu seinem Vortrag vor der Russischen Gesellschaft für Chemie, verlesen von Menschutkin in dem März 1869:

1. Die nach Atomgewicht aufgereihten Elemente zeigen Periodizität in ihren Merkmalen und ihrem Verhalten.
2. Elemente mit gleichem Verhalten haben fast das gleiche Atomgewicht (zum Beispiel Platin, Iridium, Osmium) oder das Atomgewicht erhöht sich gleichmäßig (zum Beispiel Kalium, Rubidium, Cäsium).
3. Die Anordnung der Elemente oder Gruppen von Elementen entspricht ihrer Wertigkeit und, bis auf einige Ausnahmen, ihrem charakteristischen Verhalten.
4. Die am häufigsten vorkommenden Elemente haben kleine Atomgewichte.
5. Das Atomgewicht bestimmt die Merkmale des Elements, so wie die Merkmale eines Moleküls von seiner Größe bestimmt werden.
6. Die Entdeckung weiterer Elemente ist zu erwarten, beispielsweise die Analogen zu Aluminium und Silizium mit einem Atomgewicht zwischen 65 und 75.
7. Das Atomgewicht einiger Elemente kann durch diese Anordnung korrigiert werden. Zu dem Beispiel muss das Atomgewicht des Tellurs zwischen 123 und 126 liegen. Es kann nicht 128 betragen.
8. Einige charakteristisches Merkmalen lassen sich aufgrund des Atomgewichts vorhersagen.

Mendelejew schrieb später einmal, beim Verfassen eines Chemiebuches habe er nach einer Einteilung der chemischen Elemente gesucht. Neben dem Atomgewicht habe er sich von ihren Merkmalen leiten lassen:

• Ähnlichkeiten bei der Bildung von Verbindungen
• Elektrochemisches Verhalten und Wertigkeit
• Kristallform der Verbindungen
• Neigung zur IsomorphieMendelejew beschäftigte sich aber nicht ca. mit dem Periodensystem:

• Theorie zur Entstehung des Erdöls. Angeregt durch Behandlungen kaspischen Öls und einer Vereinigte Staaten Amerika-Reise 1876 entwickelte er die Mendeljewsche Theorie: Erdöl ist anorganischen Ursprungs und entstand durch eine Reaktion von Carbiden mit Wasser.
• Entwurf von Eisbrechern und Erforschung des Nordmeeres
• Mendelejew wird auch die wissenschaftliche Rechtfertigung des "optimalen" Alkoholgehalts von 40 Prozent in russischem Wodka zugeschrieben.

• Grundlagen der Chemie, 1868-1871