Он родился в 1834 году в Тобольске и был последним, семнадцатым по счету ребенком в семье директора Тобольской гимназии Ивана Павловича Менделеева и его жены Марии Дмитриевны. Ко времени его рождения в семье Менделеевых из детей осталось в живых два брата и пять сестер. Девять детей умерли еще в младенческом возрасте, а троим из них родители даже не успели дать имена.

Осенью 1841 года Дмитрий Менделеев со старшим братом поступил в Тобольскую гимназию. Он был принят в первый класс с условием, что пробудет в нём 2 года, до наступления восьмилетнего возраста.

Весной 1849 года Менделеев окончил гимназию и отправился с матерью в Москву - поступать в Казанский Университет. В зачислении ему отказали.

В педагогическом институте Петербурга набор студентов происходил раз в два года, и осенью 1850 года приёма не было. Мать Менделеева подала ходатайство в министерство с просьбой сделать исключение для её сына. Менделеева приняли. Он был зачислен на физико-математический факультет.

Учеба Дмитрия Менделеева в Петербурге в педагогическом институте вначале давалась нелегко. Ему пришлось догонять своих сокурсников и самостоятельно изучать материал, который его коллеги прошли в первый год. Огромное умственное напряжение негативно отразилось на его здоровье. Продолжительные пребывания в больнице и постоянное нездоровье помешали Менделееву догнать своих сокурсников. На первом курсе он умудрился по всем предметам, кроме математики, получить неудовлетворительные оценки. Ему пришлось повторить первые два года обучения. Но на старших курсах дело пошло по-другому - среднегодовой балл Менделеева был равен четырем с половиной (из пяти возможных). Вскоре преподаватели отметили его исключительные способности. В студенческие годы Менделеев начал писать краткие обзоры успехов науки, за которые получал небольшие гонорары - единственные его доходы.

А. А. Воскресенский и профессор минералогии С. С. Куторга предложили Менделееву разработать метод анализа минералов ортита и пироксена. Результаты своей работы он изложил в статье "Химический анализ ортита из Финляндии", опубликованной в 1854 году. Это был первый труд Менделеева, в тот год закончившего институт.

В мае 1855 года Учёный совет присудил Менделееву титул "Старший учитель" и наградил золотой медалью.

В 1856 защитил в Петербургском университете магистерскую диссертацию «Удельные объемы», а вслед за ней диссертацию на звание приват-доцента "О строении кремнеземистых соединений». В 1857 Менделеев был утвержден доцентом Петербургского университета, где читал курс органической химии. В 1859 командирован за границу. В Гейдельберге, устроив в своей квартире лабораторию, Менделеев провел ряд важных исследований в области физической химии, в частности открыл существование критической температуры. Менделеев принял деятельное участие в работах международного съезда химиков в Карлеруэ (1860), на котором была установлена единая система атомных весов и химических формул. По возвращении в 1861 в Россию продолжал чтение лекций в университете; в этом же году опубликовал труд «Органическая химия», явившийся первым русским учебником органической химии. За этот учебник Менделеев был удостоен Петербургской академией наук Демидовской премии. В 1864 он был избран профессором Петербургского практического технологического института по кафедре химии. В 1865 защитил диссертацию на степень доктора химии «Рассуждение о соединении спирта с водою», а в конце этого же года был утвержден ординарным профессором Петербургского университета по кафедре технической химии, а в 1867 занял кафедру неорганической (общей) химии. В 1868 Менделеев приступил к работе над «Основами химии», а так же в мае этого года у Менделеевых родилась дочь Ольга. Работая над Основами, Менделеев открыл периодический закон химических элементов. В этот период Петербургский университет становится центром химической науки в России. При активном участии Менделеева в университет были приглашены А. М. Бутлеров - на кафедру органической химии и Н. А. Меншуткин - на кафедру технической химии. При деятельном участии Менделеева было создано (1868) русское химическое общество (ныне Всесоюзное химическое общество имени Д. И. Менделеева). Русские ученые Н. Н. Зинин, А. Менделеев Бутлеров и другие в 1874 предложили кандидатуру Менделеева в адъюнкты Петербургской академии наук по химии, но это представление было отклонено реакционным большинством Академии. В 1876 он был избран членом-корреспондентом Академии наук. В 1880 виднейшие русские ученые выдвинули Менделеева в члены Петербургской академии наук, но его кандидатура была отвергнута. Это вызвало резкий протест передовой общественности страны. Пять русских университетов избрали Менделеева своим почетным членом; Кембриджский, Оксфордский и другие старейшие университеты Европы присвоили ему почетные ученые степени; он был избран членом Лондонского королевского общества, Римской и Парижской, Берлинской и других академий, также почетным членом многих научных обществ России, Западной Европы и Америки.