门捷列夫出生在俄罗斯西伯利亚地区的托博利斯克市，他父亲是当地的中学校长，母亲是西伯利亚最早从事造纸与玻璃工业的老资本家柯尔尼列夫家的女儿。当时门捷列夫的家是托博利斯克知识界的社交中心，出入他家的人大多很有学识，或者有一定的社会地位。
门捷列夫出生后不久，他父亲因患白内障失明而退职，他家有十几个孩子，靠父亲微薄的退休金无法养活这一大家人。这个时候，他母亲显示出她能干的一面，把娘家即将倒闭的玻璃厂接收过来，经营得颇有起色，维持了一家人的生活还有余。
门捷列夫自幼就表现有出众的记忆力和数学才能，但他上学后学习成绩却不是很突出，因为他只是数学、物理学得好，语文却学得很差，尤其是拉丁语，成绩总是排在全班的末等。幸亏教拉丁语的老师是他的表兄，门捷列夫这才勉强及格。据说门捷列夫拿到了毕业证书后，和一群同学登上俯瞰全市的山顶，一起烧毁了拉丁语课本。
门捷列夫中学毕业后，他母亲经营的工厂陷入倒闭的危机，后来又被大火烧毁，全家唯一的经济收入来源断绝了，但母亲一心想让小儿子门捷列夫上大学，就带着儿子千里迢迢来到莫斯科。按照沙皇政府的规定，门捷列夫不在指定的学区内，所以不能报考莫斯科大学。于是，母子俩又来到圣彼得堡，门捷列夫考上了医学外科学校。可是，门捷列夫第一次观看尸体解剖，当场就晕倒过去。这一下不能念外科学校了，他只得去报考圣彼得堡高等师范学校，还获得了政府津贴住宿生的待遇。看到儿子有了着落，这位为儿子牺牲了自己一切的母亲才放下心来，含笑离开了人世。
门捷列夫从师范学校毕业后，前往德国深造，集中精力研究物理化学。1861年他学成回国，进入圣彼得堡大学担任教授。
门捷列夫个子长得很高，留着长发，平时穿着他自己设计的似乎有些古怪的衣服，上衣的口袋特别大，据说那里边放着一个厚厚的笔记本，他一想起什么来，就立即掏出笔记本，把它随手记下来。时间一长，人们又发现了身为化学教授的门捷列夫的一个古怪之处，他不肯呆在实验室里，而是常常将自己关在书房里，手里总捏着一副纸牌，颠来倒去地整理个没完没了。要说他喜欢玩牌，又从不见他上别人家的牌桌，也不邀请牌友到他家打牌。
其实，门捷列夫对打牌本身毫无兴趣，他是在用这种方式研究化学元素的分类方法。他在编写无机化学讲义时，发现这门课程的俄语教材十分陈旧，而外文教科书已经无法适应新的教学要求，迫切需要有一本能够反映当代化学发展水平的无机化学教科书。这个想法让门捷列夫很激动，他便动手编写起来。当他写到有关化学元素及其化合物性质的章节时，遇到了难题。当时化学界已经发现了63种化学元素，按照什么次序排列它们的位置呢？它们之间有没有什么内在联系呢？为了理清化学元素的分类，他夜以继日地分析思考，简直着了迷。
这天夜深人静的时候，圣彼得堡大学主楼左侧的门捷列夫的居室里仍然亮着灯光。门捷列夫突然唤来他的仆人，让他到实验室去找几张厚纸来，然后把它剪成一个个卡片，上边画着格子。门捷列夫在每一张卡片上写上一个元素的名称、原于量、化合物的化学式和主要性质，把它们摆放在一个宽大的实验台上。从此，一向珍惜时间的门捷列夫就迷上了“纸牌”，一玩起来就旁若无人，发生了天大的事情似乎都与他无关。
有一天，俄罗斯化学会邀请来一些专家开学术讨论会。讨论会开了三天，大家各抒己见，只有门捷列夫一个人一直一言不发。眼看讨论就要结束了，主持人躬身问道：“门捷列夫先生，不知您有什么高见？”
门捷列夫也不说话，起身走到桌子的中央，从口袋里掏出一副“纸牌”甩在桌子上。在场的人都大吃一惊，门捷列夫爱玩纸牌，化学界的朋友早有所闻，但总不至于玩到这么严肃的场合来吧！
只见门捷列夫将那把乱纷纷的牌捏在手里，三下两下便整理好了，然后他把“纸牌”在桌子上列成一个牌阵，按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的颜色各列一排。他好像魔术师一样，念到一个化学元素的名字，就从牌阵中抽出一张牌，上边写的与他说的丝毫不差。
众人正看得入神，一位老教授一拍桌子站了起来，严厉地对门捷列夫说：“快收起你这套魔术吧！身为教授，不在实验室里老老实实地做实验，却在这里摆弄纸牌，难道这些元素就由你这样随便摆布吗？”老教授越说越激动，起身便走，其他人见状也站起来离开了会场。
不管别人怎样议论，门捷列夫坚信自己能摆弄出名堂来，不管冬去春来，仍然在杂乱无章的元素卡片中寻找着内在的规律。这一天，他又坐到桌前摆弄起“纸牌”来。
摆着摆着，门捷列夫好像触电似的站了起来，他发现每一行元素的性质都是按照原子量的增大而从上到下逐渐变化的。这就意味着，元素的性质与它们的原子量呈周期性关系。他激动得双手不断地颤抖着，兴奋地在室内踱着步子，忽然一把抓起记事簿，在上面写道：“根据元素原子量及其化学性质的近似性试排元素表。”
也有资料说，门捷列夫是在梦中梦见卡片的排列，这才发明了元素周期表。这也是很有可能的。那段日子里，他已经痴迷到不分昼夜的程度，有时候连他自己也说不清是清醒的还是做梦。
1869年2月底，门捷列夫终于把已经发现的63种元素排列成一张表，竖行表示族，横行表示周期。他根据元素具有周期性变化的规律，大胆地修正了一些元素的原子量，改排了一些元素的位置，还在表中留下了许多空位置，他指出这些空位上还有许多没有被发现的元素，并预言了它们的性质。结果，有三个元素在门捷列夫还在世的时候就被发现了。
1875年，法国化学家布瓦博德兰发现了第一个待填补的元素，命名为镓。门捷列夫得知这个消息后，立即给巴黎科学院写了一封信，指出镓的比重应该是5.9左右，而不是4.7.当时镓还在布瓦博德兰手里，门捷列夫没有见到过，他怎么知道得这么清楚呢？布瓦博德兰设法进行提纯，重新测量了镓的比重，结果证实了门捷列夫的预言。
门捷列夫当初通过元素周期表预言新元素时，有的科学家说他狂妄地臆造一些不存在的元素，而这件事情发生后，门捷列夫的理论受到了越来越普遍的重视。随着门捷列夫预言的元素陆续被找到，他的名字和元素周期律名声大振，传遍了全世界。
后来，人们根据门捷列夫的理论，把已经发现的100多种元素排列、分类，列出了今天的化学元素周期表，张贴在实验室墙壁上，编排于辞书后面，成为每一位学生学化学时必须掌握的一门工具。
1907年1月20日早晨，门捷列夫突发心肌梗死而与世长辞，终年73岁。门捷列夫年过七旬之后，由于积劳成疾，双目半盲，然而他仍每天从清晨开始工作，一干就是一整天，“中饭”要到傍晚才吃。在他临终的那天清晨，他依旧像平时那样，很早就起床了。他姐姐劝他别再写了，休息几天再说，他却不以为然地说道：“没关系！”他姐姐出去了一会儿，当她回到门捷列夫的卧室时，看到他坐在椅子上，已经停止了呼吸，他的手里还握着笔，他的面前是一本还未写完的关于科学和教育的着作。看到这情景，人们不禁想起他的一句名言：“什么是天才？终身努力，便成天才！”
门捷列夫的死震动了整个俄罗斯，人们为他举行了隆重的葬礼，很多人护送他的遗体前往伏尔科墓地。沿途，不少人自动加入送葬的队伍，使这支队伍变得越来越长，最后达几万人之多。队伍的最前头既不是花圈，也不是死者的遗像，而是由十几位青年学生抬着的一块巨大的木牌。木牌上画着好多方格，方格里写着各种化学符号，在木牌的上方，用俄文写着“化学元素周期表”。
门捷列夫生前担任过俄罗斯度量衡总局局长。为了纪念他，人们在度量衡总局大楼的墙壁上，画上许许多多方格，写上各种元素符号。许多报纸在报道门捷列夫逝世的消息时，都把门捷列夫的遗像跟那张表格登在一起。这张普通的表格，就是门捷列夫毕生劳动的结晶，代表着他的最高功绩。
科学小常识
化学元素
宇宙万物是由什么组成的呢？古希腊人认为宇宙万物是由水、火、土、气组成的，称为“四元素说”。火元素、气元素两种轻元素会向上飘，土元素、水元素两种重元素向下沉，四种元素按一定的比例组成各种物体。中国古人则认为宇宙万物是由金、木、水、火、土组成的，称为“五行说”。到了近代，人们才渐渐明白，元素是多种多样的。
元素又称化学元素，指的是自然界中100多种基本的金属和非金属物质，它们只由几种有共同特点的原子组成，其原子中的每一核子具有同样数量的质子，用一般的化学方法不能使之变得更为简单，并且单独地或组合地构成一切物质。到2007年为止，总共有118种元素被发现，其中94种存在于地球上。拥有原子序数大于82（即铋及之后的元素）都是不稳定的，会进行放射衰变。第43和第61种元素（即锝和钷）没有稳定的同位素，会进行衰变。可是，即使是原子序数高达94，没有稳定原子核的元素都一样能在自然中找到，这就是铀和钍的自然衰变。所有化学物质都包含元素，即任何物质都包含元素，随着人工核反应的进行，更多的新元素将会被发现出来。
科学家逸闻
棋迷
门捷列夫特别爱玩国际象棋，对每局棋的胜负都很认真，下完每一局棋都久久不能平静下来。1906年，门捷列夫在出国前买到了一副袖珍国际象棋，他认为这适合旅行时用，从此每次旅行他都要兴致勃勃地携带着这副棋。
门捷列夫在研究元素周期表期间，也没有忘记研究棋局。在他的手稿最后一页，人们看到背面有他用铅笔记下的一个国际象棋残局。门捷列夫认为，紧张工作后，下棋是使头脑得到积极调整并能启迪灵感的方法。他在回忆录中这样写道：“不专心致志，我什么也干不成。”