Giai đoạn 1859 và 1861, ông làm việc về tính mao dẫn của các chất lỏng và kính quang phổ tại Heidelberg. Cuối tháng 8 năm 1861 ông viết cuốn sách đầu tiên về kính quang phổ. Ngày 4 tháng 4 năm 1862 ông hứa hôn với Feozva Nikitichna Leshcheva, và họ cưới ngày 27 tháng 4 năm 1862 tại nhà thờ của Trường Cao đẳng Cơ khí Nikolaev ở Saint Petersburg.[4] Mendeleev trở thành Giáo sư Hoá học tại Viện Công nghệ Nhà nước Saint Petersburg và Đại học Nhà nước Saint Petersburg năm 1863. Năm 1865 ông trở thành Tiến sĩ Khoa học với luận văn "Về những hoá hợp của Nước và Rượu". Ông được bổ nhiệm năm 1867, và tới năm 1871 đã biến Saint Petersburg thành một trung tâm được quốc tế công nhận trong lĩnh vực nghiên cứu hoá học. Năm 1876, ông say mê Anna Ivanova Popova và bắt đầu tán tỉnh bà, năm 1881 ông cầu hôn bà và đe doạ sẽ tự tử nếu bị từ chối. Cuộc li dị của ông với Leshcheva kết thúc một tháng sau khi ông đã cưới (ngày 2 tháng 4[5]) đầu năm 1882. Thậm chí sau khi li dị, Mendeleev về kỹ thuật vẫn là một người mắc tội lấy một người khác khi vẫn con trong hôn nhân; Nhà thờ Chính thống Nga yêu cầu phải có ít nhất 7 năm trước khi tái hôn một cách hợp pháp. Cuộc hôn nhân của ông và sự tranh cãi xung quanh nó góp phần khiến ông không thể được chấp nhận vào Viện Hàn lâm Khoa học Nga (dù danh tiếng quốc tế của ông vào thời điểm đó). Con gái ông từ cuộc hôn nhân thứ hai, trở thành vợ của nhà thơ Nga nổi tiếng Alexander Blok. Những người con khác của ông là con trai Vladimir (một thuỷ thủ, ông tham gia vào Chuyến đi về phía Đông của Nicholas II nổi tiếng) và con gái Olga, từ cuộc hôn nhân đầu tiên với Feozva, và con trai Ivan và một cặp sinh đôi với Anna.

Dù Mendeleev được các tổ chức khoa học trên khắp châu Âu ca tụng, gồm cả Huy chương Copley từ Viện Hoàng gia London, ông đã từ chức khỏi Đại học Saint Petersburg ngày 17 tháng 8 năm 1890.

Năm 1893, ông được chỉ định làm Giám đốc Phòng Cân và Đo lường. Chính trong vai trò này ông đã được giao trách nhiệm hình thành những tiêu chuẩn nhà nước mới cho việc sản xuất vodka. Nhờ công việc của ông, năm 1894 các tiêu chuẩn mới cho vodka được đưa vào trong luật Nga và mọi loại vodka phải được sản xuất với nồng độ 40% cồn.[6]

Mendeleev cũng nghiên cứu thành phần của các giếng dầu, và giúp thành lập nhà máy lọc dầu đầu tiên tại Nga.

Năm 1905, Mendeleev được bầu làm một thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thuỵ Điển. Đồng thời trong năm này ông được tặng thưởng Huy chương Copley vàng danh giá. Năm sau Hội đồng Nobel Hoá học đã đề xuất với Viện Hàn lâm Thuỵ Điển trao Giải Nobel Hoá học năm 1906 cho Mendeleev vì phát minh ra bảng tuần hoàn của ông. Ban Hoá học của Viện Hàn lâm Thuỵ Điển đã ủng hộ đề xuất này. Viện Hàn lâm sau đó dường như đã ủng hộ lựa chọn của Uỷ ban như họ đã làm trong hầu hết mọi trường hợp. Không may thay, tại cuộc họp toàn thể của Viện, một thành viên bất mãn của Uỷ ban Nobel, Peter Klason, đề xuất tư cách ứng cử viên cho Henri Moissan người được ông ưa thích. Svante Arrhenius, dù không phải là một thành viên của Uỷ ban Nobel Hoá học, có rất nhiều ảnh hưởng trong Viện và cũng gây sức ép để loại bỏ Mendeleev, cho rằng bảng tuần hoàn quá cũ để được công nhận sự khám phá ra nó vào năm 1906. Theo những người thời đó, Arrhenius có động cơ từ sự đố kỵ của ông với Mendeleev vì Mendeleev chỉ trích lý thuyết phân ly của Arrhenius. Sau những cuộc tranh cãi nảy lửa, đa số thành viên Viện Hàn lâm bỏ phiếu cho Moissan. Những nỗ lực để đề cử Mendeleev năm 1907 một lần nữa không thành công bởi sự phản đối kịch liệt của Arrhenius.[7]