1859年4月，门捷列夫被获准去德国海德尔堡进行两年的科学深造。
最初门捷列夫打算在本生（科学家）的实验室里进行研究工作，可是两位科学家的研究兴趣不同，本生当时正集中精力研究光谱分析，而门捷列夫热衷研究的是另外的问题。他果断地选择了自己的科学创造方针，用自己所领到的微薄的出国费来建立自己的小实验室。
海德尔堡有制造科学仪器的工厂，有出产化学试剂的工厂。门捷列夫根据自己设计的图样定制或定购了所需要的仪器，把自住的两间房腾出一间作实验室。
门捷列夫非常热情地进行工作。他在自己的实验室里埋头于他所一心向往的研究。他在给学校的信中说到：“在国外的大部分时间都用来研究旨在使化学、物理学和力学相结合的专门科学。我确信化学的亲和力与内聚力是一回事；并且我还确信，如果不知道分子内聚力的大小，就不可能完全解决关于化学反应原因的问题，因此，我选择了这个很少有人研究的问题作为我的专业。”
门捷列夫在研究毛细管现象方面完成了精密计划过的实验，并在这些实验中正确地看到了分子之间是具有内聚力的。进行这些研究工作的结果，写成了3篇论文《论液体的毛细管现象》、《论液体和膨胀》和《论同种液体的绝对沸腾温度》。
这些著作的重大意义是无可估量的。当时人们认为气体分为两种：即能够液化的气体和不能够液化的气体（即所谓“永久”的气体）。例如：氧、氮、氢、甲烷、一氧化碳等都是不能浓缩的气体。门捷列夫根据自己的实验首次指出了这种划分的错误。
门捷列夫在十分繁忙的实验工作中，仍利用业余时间会晤朋友，他在给化学家希什科夫的信中写到：“在国外的俄罗斯科学家中我认识了别凯托夫、阿巴谢夫，萨维奇、谢切列夫。这些人，除了阿巴谢夫外，他们都给俄罗斯增添了光荣，和这些人来往是非常愉快的。”
因为他们都非常热爱自己的事业，热爱劳动，这就使他们结成了莫逆之交。这样优秀人物的友谊点缀了他们每个人的生活，使他们每个人的生活更加愉快和丰富了。
1860年门捷列夫参加了在德国卡尔斯卢厄召开的第一次国际化学家代表大会，会议上解决了许多重要的化学问题：最终确定了“原子”、“分子”、“当量”、“原子价”等概念，并为测定元素的原子量奠定了坚实的基础，使化学上空笼罩的一片混乱和模糊的阴云逐渐消散。近代原子、分子的统一理论得以确立。通过这次大会，对门捷列夫形成周期律的思想产生了很大的影响。
1861年2月，门捷列夫回到彼得堡。又热情地重新担任起两年以前的大学教授工作，开始讲授有机化学，虽然教学工作十分繁忙，但门捷列夫继续着他的科学研究。
门捷列夫在讲授有机化学课程的同时，感觉到有必要编写一部能够由浅入深，条理井然地阐明世界上最新化学理论成就的教科书。他决定把新的正如他所著称的“统一的”化学观点作为教科书的基础。由于门捷列夫夜以继日地在高大的写字台上努力地工作（这张写字台现在摆放在彼得格勒国立大学的门捷列夫陈列室里），仅用了两个月的时间就写出了一本《有机化学》教科书。这是俄国第一本用俄文写的有机化学教科书。这本新著受到了普遍的赞扬，并获得了俄罗斯科学院的季米多夫奖金。
这本书有两个特色：一是确定了说明有机化学所积累的广泛资料的新原则：“自然化学系统的基础，应该是它们在化学性质方面的相互联系，而不是一种或是两种物理属性。”这个指导思想使门捷列夫后来在发现周期律的工作中高人一筹。二是与当时大多数有机化学教科书不同，它公开反对了流行的“活力论”观点。门捷列夫写道：“每一种生命现象都不是由于什么特殊力量或是什么特殊原因造成的，而是根据大自然的一般规律形成的。”
门捷列夫在进行这些工作时，并没有放弃研究物理化学的基本理论问题，因为这是他一开始研究科学就甚感兴趣的问题。
他用了将近一年的时间研究、观察出溶液比重的变化同水中酒精含量的百分比有关。查明当酒精和水的分子比为1∶3时，溶液密度最大。于1865年答辩通过了博士论文《论酒精和水的结合》。这一发现后来成为溶液水合理论的基础。
门捷列夫写道：“我自己从关于溶液的全部知识中得出的结论是溶剂和溶质的结合是化学性质的。”他所根据的四点理由是：
（1）溶液中生成固定组成的化合物；
（2）在很多情况下溶解过程总伴随有化合物所特有的现象；（3）存在有某些固体结晶化合物；
（4）生成含有结晶水的化合物。
门捷列夫把溶液中的多种化学形式和过程叫缔合作用。
1883—1887年，门捷列夫发展了关于溶液、溶液中物质的相互作用，关于形成固定组成化合物学说的基本原理。在这期间，他收集了大量的事实材料并加以系统化，这些材料成为他的专著《对水溶液比重的研究》（1887年）一书的根据。
这本书的出版标志着在溶液研究史中翻开新的一页。
汗水的结晶
1867年，门捷列夫被推荐到彼得堡大学无机化学教研室干活。为了不辜负这种荣誉，门捷列夫决心竭尽全力做好工作，门捷列夫开始勤勤恳恳地准备讲义。他埋头在书刊里。他找出了自己在求学时代和研究活动中多年积下的札记、笔记和著作，又把自己淹没在化学家多年所做过的实验及法则的海洋里。用他手头的资料，来编写一部大学教程已经有富余了。
秋天，他上课了。他的讲课极为成功。当时的大学生们涌进他的课堂听课，就像涌进戏院去听外来名人的演说一样。听课者中，有从法律系的、历史系的、医学系的来的，也有从别的学校来的。有人在上课以前，老早占好座位，有人就站在过道里，或成群地挤在门口和讲台旁边。一个大学讲课人是很少有这么受人欢迎的。
门捷列夫不仅是一个伟大的科学家，而且是一个出色的教育家、优秀的讲师和关心青年学生的导师，他在大学生中间享有崇高的威望并颇受爱戴。
门捷列夫的学生文贝尔格曾经这样写道：“凡是能够有令人羡慕的机会看见站在讲台上的门捷列夫，听过他讲课或报告的人，都清楚地记得当时听众的那异乎寻常的情绪。讲台上站着一个魁伟的，稍微驼背，留着长发的人。
他的声音低而有力，言辞充满着热情，非常激动，他好像找不到字眼似的，初次听他讲课的人都会感到发窘，想催促他、暗示他所缺少的字眼，那就是人们所意想不到的、精确简明的借喻字眼，他始终作为讲课根据的、贯穿着包罗万象的公式和深奥无比的那种科学观点的哲学基础令人心神向往。
他的讲课经常涉及力学、物理学、天文学、天体物理学、宇宙起源论、气象学、地质学、动植物的生理和农业学的各方面，同时也涉及技术各部门，包括航空和炮兵学。”
我们还可以从拜柯夫院士回忆录的几行文字中，获得学生们对门捷列夫的爱戴和他对青年们的影响的某些概念：
“在门捷列夫开始讲课不久，不仅是他讲课的第七教室，连邻近的其他房间也挤满了各系和各年级许多朝气蓬勃和熙熙攘攘的学生，他们按照往年的习惯来听开学的第一次讲课，以便向这位教授、彼得堡大学的骄傲、俄罗斯科学的荣耀，德米特利·依凡诺维奇·门捷列夫表示他们的爱戴和崇敬的感情。我当时也挤在这些激动、兴奋而喜悦的学生当中，我们迫切地期待着门捷列夫的光临。从隔壁的房门直接开向讲台的那个实验标本室里，传来轻轻的脚步声，教室里顿时肃静下来，门捷列夫在门中出现，他身体魁伟，稍稍驼背。他那斑白的长发直垂到两肩，银灰色的长须托着他那副目光闪闪、严肃而淳朴的面孔。当时的情景至今仍历历在目。欢呼声和掌声像春雷一般震天撼地。这简直是一场暴，是一阵狂风。全体同学都在高声欢呼，大家都欣喜若狂，每一个人都尽情地表达自己的欢乐情绪。只要看到当时欢迎门捷列夫的这种热烈场面，就会体会到他是一位伟大科学家和伟大人物。他令人神往地影响了所有的人，并吸引了所有接触过他的人的智慧和良心。”
拜柯夫院士接着又写道：“由于门捷列夫对当时科学的发展有了明确的认识，他直接参加解决各种最新的基本问题，而且又结识了许多当代出色的人物，因此他的讲述就成了包括许多直接观察和印象的一股生动泉流。”
但是，门捷列夫的心灵深处，一点也不满足。
门捷列夫讲授普通化学这门课以后，深深感到化学还没有牢固的基础，化学在当时只不过是记述无数的零碎事实和现象而已，甚至连化学最基本的基石元素学说也还没有一个明确的概念。这种状况对学生掌握这门科学十分不利。
他开始编写一本内容丰富的新著作《化学原理》。因为有讲课的笔记做初稿，他写起来很方便。很快，大学生们迫切需要的《化学原理》出版了。
这一著作对于门捷列夫发现周期律起了促进作用。
《化学原理》一书，是世界上第一个利用周期律把化学知识系统化的尝试。门捷列夫的这部巨著的第一版是在1869—1871年出版的。
这部科学巨著《化学原理》极其完善地描绘出这位科学家和伟大人物门捷列夫本人的形象。门捷列夫满怀着热爱和崇高的心情评论自己的这部著作说：“《化学原理》是我心血的结晶，其中有着我的形象、我的教学经验和我的真实的科学思想。”
门捷列夫在《化学原理》一书结束语中的科学和技术预见中充满了对本国人民的崇高信念。门捷列夫写道：“物理和化学将成为像一二百年前经典作家所认为的那样的教育特征和教育方法的时候已经不远了。”《化学原理》教导我们去认识化学中的“方法和目的”。门捷列夫用成千上万的例子指出了科学是怎样推动工业向前发展，科学对于利用自然力揭示了哪些新的可能性。
门捷列夫在《化学原理》的序言中这样写道：“依我看来，只有思想和事实相结合，观察和思路相结合，才能在所希望的方面发生作用，否则就会抹杀实际情况，就会以虚构代替实际情况，而虚构正是我在自己的著作中所竭力避免的。”
《化学原理》曾被译成许多种文字，并且出版了许多次。
门捷列夫在号召年轻的一代为科学服务时继续说道：“把理论和实践分开的有害想法，是许多错误思想的根源，这些错误思想在现代还存在着，并且在我们的社会中占统治地位。这样的时刻已经到来了，放弃沉醉与幻想，放弃抽象的意图和古典的辩论，而走向现实和真正的劳动，来为人民谋福利。
还要证明科学不但能‘给青年人以知识，给老年人以快乐’，还能使人惯于劳动和追求真理，能为人民创造真正的精神财富和物质财富，能创造出没有它就不可能获得的东西。”
在结论中他写道：“假如逐渐地把俄罗斯物理学家和化学家征服了的科学领域扩大起来，将来的年轻一代就可以满怀信心地获得一系列的更大的胜利。科学早已不再脱离生活了，并且在它的旗帜上写着：科学的种子是为了人民的收获而生长的。”
《化学原理》一书教育了许多代的化学家、物理学家、工艺学家、医师、农学家以及各种专业知识的人员。
《化学原理》不单是化学的指南，并且教育青年热爱科学，热爱祖国。
号召人们为祖国的利益而工作，不要惧怕艰苦的劳动。《化学原理》直到现在仍然没有失去它的意义。
周期律的发现
《化学原理》一书也不能使门捷列夫非常满意，对他来讲，化学科学真好像是一座没路的密林。有时候，他真觉得自己是在这座丛林里从一棵树走向另一棵树，只对每一棵，作些个别的描写，而这里的树却有千棵、万棵……那时候化学家们所知道的元素一共有63种。每一种都要与其他物质化合而成几十、几百、甚至几千种化合物：氧化物、盐、酸、碱。化合物里，有气体、液体，其中有的没有颜色，有的闪闪发光；有的硬，有的软；有的苦，有的甜；有的重，有的轻；有的稳定，有的活泼。就没有一种和另一种完全相似。
然而组成世界的形形色色的物质，虽然如此繁多，化学家们却已经把它们研究得十分详尽了。
这无数的化学物质的性质，可以讲述几个星期、几个月。可是这样枝枝节节地讲得越多，听讲的人对于化学的认识可能反而越少。因为在这片混乱的天地里简直没有一点统一性，也没有任何系统。难道组成世界的这些材料当真是漫无秩序、极其偶然地凑在一起的吗？
门捷列夫想在大学生面前展开一幅描写物质的统一性、逻辑性的图画，想给他们指出宇宙的物质构造所凭借的几条重要法则。可是他在自己喜爱的这门科学里，竟找不出一点统一性和逻辑性来。
的确，这许多千差万别的物质，也可以简化成数目不多的一些基本物质元素。可是这几十种元素里面，就存在着混乱、无秩序和偶然性的萌芽了。
每一种元素和它所具有一切特殊性质，都好像是物质的偶然表现。看来在物质的一切初级形态元素之间，或至少在其中大多数元素之间，并没有一点儿亲缘关系。
大多数化学教授，对于这种情形，也一点不觉得别扭。他们认为：“假如物质世界没有任何自然秩序，那么，要讲元素，就按照自己认为最方便的顺序来讲好了。”他们一般都从氧讲起，因为氧这种元素在自然界分布最广。
另有几位从氢讲起，因为氢在元素中分量最轻。但也有理由从铁讲起，因为它是元素中最有用的。也可以从金讲起，因为它是元素中最贵重的。还可以从最少见的铟讲起，因为它是最“年轻”的，刚发现的。
面前既然是一座杂树丛生、毫无秩序的密林，那你从哪起步往里走，不都一样吗？反正走不上两步，就没路了。
可是门捷列夫却不愿意盲目地在这座迷宫里漫步。
他在准备大学课本《化学原理》的时候，就寻找一般规律，寻找一切元素都要服从的自然秩序。原来他深信这样的规律是存在的，是应该存在的。
他深信元素虽然有种类的不同，可是元素与元素之间一定隐藏着统一性。
于是他就千方百计去寻找这规律或统一性。
某些元素有着极大的相似性。门捷列夫认为这些相似性绝非偶然。一定有某种内在的依从性。一切的元素，应该毫无例外地有着某种特征，既决定它们之间的类似，又决定它们之间的差别。知道这点以后，就可以把所有的元素连同它们那不计其数的化合物，全都排成十分整齐的行列，像按照个子高低把士兵排成一队一样。
那么，决定元素在物质行列中的位置的，到底是什么呢？
是颜色？不，颜色显然是一种不太稳定的次要性质，它不能作为决定元素间自然秩序的标准。
那么是比重吧？但这种性质更不确定：一种物质只要对它稍微加点热，它的比重就起变化，使它相对地轻起来。