Рассматривая сельское хозяйство как отрасль единого народно-хозяйственного комплекса, ученый указывал на необходимость оказания ему помощи через промышленное покровительство, так как оно не только не противоречит интересам сельского хозяйства, но, напротив, способствует его развитию. Менделеев пришел к убеждению, что, продолжая идти через колосящиеся хлебные нивы, столь привычные и дорогие русскому сердцу, Россия не достигнет благополучия и экономического процветания. Подчеркивая важность и необходимость "нормальной комбинации сельского труда с заводско-фабричным", он не был сторонником активных государственных мер, направленных непосредственно на подъем аграрного сектора и "считал всякое массовое вмешательство в это дело . совершенно ненужным и даже могущим быть чрезвычайно вредным".

Более пятидесяти лет, с присущей ему основательностью, Менделеев изучал проблемы земледелия. В книге "Заветные мысли" (1904) ученый сообщал о том, что еще в начале 60-х годов его "глубоко занимала мысль о возможности выгодно вести хозяйство при помощи улучшений и вкладов в землю свободного труда и капитала".

Как химика его, прежде всего, интересовало воздействие минеральных и органических удобрений. Он организовал четыре опытные станции, на которые Вольное Экономическое общество выделило необходимые средства, и на них провел изучение влияния удобрений.

Чтобы реализовать свои идеи о рациональном ведении хозяйства, Дмитрий Иванович покупает запущенное имение Боблово и на личном опыте, организовав экспериментальные делянки, убеждается в том, что в российских климатических и экономических условиях западноевропейская культура земледелия неприменима. Выделяет несколько причин: большинство полей Западной Европы страдает избытком сырости, а наших - засухами.

Д. И. Менделеев, стремясь создать на своей земле передовое опытное хозяйство, которое бы явилось образцом для всех русских земледельцев, вводит многопольную систему севооборотов, используя естественные и искусственные туки, машины, и организовывает "правильное скотоводство".

Менделеев является одним из основоположников семенной агрохимии, провозвестником идеи химизации сельского хозяйства. Его первые работы в это области тесно связаны с деятельностью Вольного экономического общества. До сих представляют интерес высказывания Менделеев по вопросам батей почвы, травосеяния, лесонасаждения, и главным образом, по вопросам применения этих удобрений, химизации и переработки сельскохозяйственного сырья и многим другим. Менделеев выступал как ярый противни рока тогда распространенных “теории” по возврата и “теории” убывающего плодородия, на которые опирались сторонники мальтузиа: Менделеев утверждал, что возможно многократное понимание плодородия земли. Основываясь на результатах полевых опытов (1867—1869), Менделеев указывал на необходимость известкования кислых почв, применения размолотых фосфоритов, суперфосфата, азотных и калийных удобрений, совместного внесения минеральных и органических удобрений. Он поддерживал начинания В. В. Докучаева (проведение почвенных обследований, организацию кафедр почвоведения и др.). В 1866 он предложил разработать научные основы отечественной агрохимии на базе использования достижений химии и физики. Инициатива Менделеев была поддержана, и ему удалось поставить и провести в 1867-69 полевые опыты по изучению влияния глубины вспашки, и действия удобрений в Смоленской, Петербургской, Московской и Симбирской губерниях.

Менделеев уделял большое внимание орошению земель Нижнего Поволжья.