В гимназические годы Менделеев особым прилежанием не отличался. Высшее образование он получил в Петербурге в Главном педагогическом институте. На физико-математическом факультете математику преподавал Остроградский, физику — Ленц, педагогику — Вышнеградский, впоследствии министр финансов России, химию — Воскресенский, «дедушка русских химиков». Его учениками были также Бекетов, Соколов, Меншуткин и многие другие ученые. Институт Менделеев окончил в 1855 году с золотой медалью. Через год в Петербургском университете он получил звание магистра химии и стал Доцентом. Вскоре Менделеев был командирован за границу и два года работал в Гейдельберге у Бунзена и Кирхгофа. Большое значение для молодого Менделеева имело участие в съезде химиков в Карлсруэ (1860), где обсуждалась проблема атомности элементов.
Вернувшись в Россию, Менделеев стал профессором Петербургского практического технологического института, позднее — профессором Петербургского университета по кафедре технической химии и, наконец, — общей химии.
Профессором университета Менделеев был в течение 23-х лет. За это время он написал «Основы химии», открыл периодический закон и составил таблицу элементов. «Периодический закон стал важнейшим обобщением в химии и значение этого открытия выходит далеко за пределы одной только этой науки», — писал С. П. Капица.
Открытие Менделеевым периодического закона датируется 17 февраля (1 марта) 1869 года, когда он составил таблицу, озаглавленную «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это было результатом долголетних поисков. Однажды на вопрос, как он открыл периодическую систему, Менделеев ответил: «Я над ней, может быть, 20 лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово». Менделеев составил несколько вариантов периодической системы и на ее основе исправил атомные веса некоторых известных элементов, предсказал существование и свойства еще неизвестных элементов. На первых порах сама система, внесенные исправления и прогнозы Менделеева были встречены сдержанно. Но после открытия предсказанных элементов (галлий, германий, скандий) периодический закон стал получать признание. Периодическая система Менделеева явилась своего рода путеводной картой при изучении неорганической химии и исследовательской работе в этой области. Периодический закон стал фундаментом, на котором ученый создал свою книгу «Основы химии».
Приступив к чтению курса неорганической химии в Петербургском университете, Менделеев, не найдя ни одного пособия, которое он мог рекомендовать студентам, начал писать свой учебник «Основы химии». Вот какую оценку дал этом труду А. Ле Шателье: «Все учебники химии второй половины XIX века построены по одному образцу, но заслуживает быт отмеченной лишь единственная попытка действительно отойти от классических традиций — это попытка Менделеева; его руководство по химии задумано по совершенно особому плану».
По богатству и смелости научной мысли, оригинальности освещения материала, влиянию на развитие и преподаваних химии этот учебник не имел равного в мировой химическое литературе. В год смерти Менделеева вышло восьмое издание его «Основ химии»; на первой странице он писал: