Опираясь на закон периодичности и практически применяя закон диалектики о переходе количественных изменений в качественные, Менделеев указал уже в 1869 на существование четырех еще не открытых элементов. Впервые в истории химии было предсказано существование новых элементов и даже ориентировочно определены их атомные веса. В 1870-71 в работах “Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов” он развил эту мысль наиболее подробно, предсказав свойства трех из них, названных им экабором, экасилицием и экаалюминием. В 1875 французский химик П. Лепок де Буабодран открыл элемент галлий, тождественный с экаалюминием; в 1879 шведский химик Л. Нильсон нашел элемент скандий, полностью соответствующий описанному Менделеев экабору; в 1886 немецкий химик К. Винклер открыл элемент германий, соответствующий экасилицию. Оправдались и сделанные предвидения Менделеев: открыты тримарганец -нынешний ревай, двицезий - франций, двибарий - радий и др.

Уже в начале своей научной деятельности Менделеев интересовался т. н. неопределенными химич. соединениями, к к-рым он относил растворы, сплавы, изоморфные смеси, стекла, шлаки и др. Вопрос о природе растворов был позднее разработан им в диссертации “Рассуждение о соединении спирта с водою” и в капитальной монографии “Исследование водных растворов по удельному весу” . В противовес господствовавшим в то время представлениям растворах, как о механич. смесях, Менделеев создал химическую, или, как он ее называл, “гидратную” , теорию водных растворов. Исследуя сжатие (изменение объёма) водно-спиртовых растворов в зависимости от их состава, он объяснил это сжатие химич. содействием спирта с водой. На обширном фактическом материале Менделеев подтвердил сделанный им замечательный вывод о том, что свойства растворов при непрерывном изменении состава изменяются скачками. Дальнейшее изучение обнаруженных Менделеев “особенностей точек” на диаграммах состав-свойство растворов привело Н. С. Куримова к созданию учения сингулярных точках химич. диаграмм. Гидратная теория Менделеева явилась одной из основ современной теорий растворов. Изучая явления вязкости, теплового расширения и капиллярности жидкостей, Менделеев открыл существование абсолютной температуры кипения. Эти исследования впервые опубликованы в работе “Частичное сцепление некоторых жидких органических соединений и развиты в статье “О расширении жидкостей от нагревания выше температуры кипения” . Это открытие опровергло метафизич. представление о “постоянных (т.е. якобы не подвергающихся сжижению) газах. Занимаясь исследованием газов, Менделеев в 1874 вывел общее уравнение состояния газов. Он указал, что при малых давлениях закон Бойдя - Мариотта неточно раздает состояние газов, и определил поправку, учитывающую эту неточность связи с работами по газам. Менделеев провел исследования в области метеорологии и воздухоплавания. Им был создан чувствительный дифференциальный барометр, пригодный для практич. нивелирования. В августе 1887 Менделеев без пилота совершил полет на воздушном шаре для наблюдения солнечного затмения и изучения высоких слоев атмосферы. Менделееву принадлежит ряд важнейших работ в области метеорологии. Им создана современная физич. теория весов, разработаны наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложены точнейшие приемы взвешивания.

В своей научной деятельности Менделеев проводил линию материализма, признавая первичность материи, объективность и познаваемость законов при роды, возможность использования природы в интересах человека. Менделеев писал: и . люди, постепенно изучая вещество, им овладевают, точнее и точнее де лают в отношении к нему предсказания, оправдываемые действительностью, шире и чаще пользуются им для своих потребностей, и нет повода видеть где-либо грань познанию и обладанию веществом” . Эту же линию материализма Менделеев про водил и в тех работах, где он пытался, выходя за рамки химии и физики, освещать специально философские, гносеологич. вопросы. Однако, не будучи специалистом-философом, он делал иногда словесные уступки агностицизму и дуализму, которые сам же опровергал как в своих высказываниях, так и своими научными открытиями. Свое материалистическое мировоззрение сам Менделеев называл “реализмом” , стремясь этим отличить его от вульгарного (“унитарного” , или “утилитарного” , по выражению Менделеев) материализма. Материализм Менделеев не был метафизическим и механистическим. Менделеев признавал неразрывность материи и движения: “ . без самобытного движения немыслима ни одна малейшая доля вещества” ; видел качественные различия между формами движения, возражал против сведения химизма к механич. движению, против отрицания химич. индивидуальности элементов, против сведения их к первоматерии, в связи с чем он отрицал гипотезу Праута. Менделеев в своих научных открытиях и особенно в открытии периодич. закона на деле применял диалектич. метод познания явлений природы.