Bol vyčerpaný po tom, ako sa tri dni pokúšal klasifikovať 56 prvkov, uvádza Reader´s Digest. "Videl som vo sne tabuľku, kde všetky prvky padli na miesto podľa potreby. Po prebudení som ju okamžite napísal na kus papiera," píše Mendelejev vo svojom denníku.
Použitím tejto tabuľky, ktorú zverejnil v roku 1869, predpovedal vlastnosti prvkov, ktoré ešte neboli objavené. Vtedy mal k dispozícii iba obmedzené poznatky o prvkoch. Ukázal, že niektoré atómové čísla sú nesprávne a zmenil zoskupenie prvkov podľa ich atómových hmotností. Z radu prvkov, ktorý označil za prirodzený, odvodil jeden z najpozoruhodnejších prírodných zákonov - periodický zákon.
Narodil sa 8. februára 1834 ako najmladšie dieťa v mnohopočetnej rodine. Študoval na univerzite v Petrohrade a neskôr absolvoval študijný pobyt v zahraničí. V roku 1862 sa oženil s Feozvou Nikitičnou Leščevovou a o rok nato sa stal profesorom chémie v technologickom ústave a na štátnej univerzite v Petrohrade. V roku 1865 získal hodnosť doktora vied a v roku 1871 premenil Petrohrad na medzinárodne uznávané centrum pre chemický výskum.
V roku 1876 začal byť posadnutý Annou Ivanovou Popovou a v roku 1881 ju požiadal o ruku s tým, že sa vyhrážal samovraždou, ak ho odmietne. S Leščevovou sa rozviedol len mesiac po tom, čo si začiatkom roku 1882 vzal Popovú, píše Datatorch.
Aj po rozvode bol Mendelejev považovaný za bigamistu, keďže ruská pravoslávna cirkev požadovala najmenej 7-ročný odstup pred ďalším zákonným sobášom. Jeho rozvod a okolitá kontroverzia prispeli k tomu, že ho aj napriek jeho vtedajšej medzinárodnej sláve neprijali do Ruskej akadémie vied.
Publikoval 400 prác, ktoré sa týkali aj fyziky a metrológie, napríklad o pôvode ropy a jej priemyselnom spracovaní a roztokoch.
Mal čo povedať aj k svetoznámemu ruskému destilátu – vodke, ktorej sa týkala jeho dizertačná práca "O spájaní liehu s vodou". Mendelejev v nej tvrdil, že vymyslel ideálny recept na výrobu vodky, ktorá by podľa neho mala obsahovať 40 percent alkoholu. Niektorí odborníci predpokladajú, že práve jeho práca, ktorú obhájil ju 31. januára 1865, sa stala základom pre klasický ruský 40-percentný nápoj.
Pár mesiacov pred smrťou mu na získanie Nobelovej ceny za chémiu chýbal jediný hlas. Zomrel 2. februára 1907 na chrípku. Smrť ho zastihla len niekoľko dní pred 73. narodeninami.
Je po ňom pomenovaný kráter na Mesiaci, minerál mendelevit a 101. prvok mendelévium.