1834年2月7日，门捷列夫诞生在西伯利亚托博尔斯克市，他是家里的第十七个孩子。门捷列夫不到周岁，他父亲因双目失明而失业，家庭生活一下子陷入绝境。母亲开始接手经营哥哥给她的一个濒临倒闭的小玻璃厂。意志坚强的门母日夜操劳，苦心经营，终于使小玻璃厂有了起色，全家人生活才勉强得以维持。
1841年，门捷列夫在母亲的多方努力下，进入一所学校读书。虽然他是班里年龄最小的学生，但他表现出了非凡的记忆力和数学才能，自然科学方面的功课也学得很好，时常得到老师的夸奖。他喜爱大自然，善于在实践中学习，经常远足考察自然，搜集了很多岩石、植物和昆虫标本。
1847年，一连串的灾难突然降临到门捷列夫家。先是父亲病故，后是大姐英年早逝，随之而来的一场大火吞没了一家人赖以生存的玻璃厂。坚强的母亲并没有被灾难所吓倒，她决心要让聪明的小儿子像他父亲那样能接受高等教育。1849年夏天，门捷列夫中学毕业了，母亲毅然变卖了全部家产，带上15岁的门捷列夫和小女儿丽莎，乘着马车，千里迢迢地向莫斯科进发。因为出身低微，又来自边远的西伯利亚，门捷列夫的求学处处碰壁。一心想让儿子上大学的母亲又带上孩子去了彼得堡，不想彼得堡大学以不接受外地考生为由，拒绝了门捷列夫的报考。母亲只好求助于亡夫当年的同学和朋友，才使儿子考进了彼得堡高等师范学校。当时在这所学校任教的有好几位著名的科学家。有物理学家楞次、俄罗斯化学之父斯伏克列辛斯基，他们对门捷列夫的学习和成长产生了重要的影响。大学第一学期门捷列夫学习很吃力，成绩平平，但他知难而进。为了不辜负母亲的期望，门捷列夫发奋读书，一边学习功课，一边温习基础知识。边远的乡村教育与大城市的教育差距是巨大的，经过一番拼搏，门捷列夫成为班上的优秀学生。然而，厄运又向门捷列夫袭来。慈祥的母亲与他永远地别离了。门捷列夫还没有从失去母亲的悲痛中恢复过来，姐姐丽莎又抱病身亡。举目无亲、孑然一身的门捷列夫把对亲人的思念埋在心底，化悲痛为力量，学习更加勤奋刻苦。大三这年病魔也将他击倒了，他面容憔悴，痰中带血，常常发烧。学校准备把他转到气候温和的基辅大学学习，但是门捷列夫不愿离开他所崇拜的斯伏克列辛斯基教授，学校只好把他送进医院治疗。尽管连遭不幸，病魔缠身，但是门捷列夫意志坚强，从没有消沉过，住院期间也没有中断过学习。母亲临终遗言始终激励着他：“不要幻想，要勤奋工作，不懈地寻求科学真理。”四年的大学生活，门捷列夫是在不断地抗争和奋斗中度过的，他以常人难以想像的毅力克服了物质上、精神上和身体上的重重困难，顽强刻苦地学习，1855年，门捷列夫以第一名的优异成绩在彼得堡高等师范学校毕业。
一份耕耘一份收获。大学时代的刻苦学习，给门捷列夫打下了深厚扎实的知识功底。早在1854年，这位不满20岁的大学生就撰写了一篇矿石化学成分的科研论文，深得恩师斯伏克列辛斯基的赞赏和肯定，这位教授评价说：“这一分析做得很出色，值得在俄罗斯矿物学会的会刊上发表。”此后不久，门捷列夫又带病完成了《从鲁基拉到芬兰的辉石》及《论同晶现象与结晶形状及其组成的关系》两篇论文，都深得专家们的好评。大学毕业时，学校授予门捷列夫“一级教师”称号和金质奖章。一位院士称赞门捷列夫出众的才华，希望他能在化学方面得到进一步的深造。不久，门捷列夫考入彼得堡大学读研究生。在彼得堡大学，门捷列夫作了“论含硅化合物结构”的学术报告。1856年，他顺利通过论文答辩，校学术委员会一致同意授予他物理化学硕士学位。时隔不久，彼得堡大学破格聘任门捷列夫为副教授。年仅23岁的门捷列夫登上了俄罗斯最高学府彼得堡大学的讲台。门捷列夫心潮起伏，感慨尤深，往日渴望报考这所大学被拒之门外的情景，还历历在目。
1859年，门捷列夫获得了到德国海德堡大学本生实验室进修的机会，为期两年。德国当时是世界化学研究中心，实验条件十分优越，海德堡大学有一些著名的科学家，这些对求知若渴的门捷列夫来说是极富吸引力的。他珍惜着这里的分分秒秒。在进修的头一年，他就取得了丰硕成果，连续发表了三篇科研论文：《论液体的毛细现象》、《论液体的膨胀》和《论同种液体的绝对沸点温度》。第三篇论文解决了当时科学上的一大难题。当时科学家们普遍认为，只要外加足够的压力，任何气体都能被液化。然而对氧气和氮气则不然，采用超高压也无法使它们液化。科学家们一时无法给出合理的解释，就冠以“永久气体”之名。门捷列夫在论文中明确指出：当气体温度高于临界温度时（临界温度概念由他提出），无论施加多大的压力都不能使其液化。门捷列夫的观点使人们幡然醒悟。实验结果证明，在临界温度下，无论什么气体都能液化。
1851年，门捷列夫回国。同年，他编著出版了《有机化学》教科书，该书注重从本质上探讨化学反应过程，特别注意介绍当时化学上的新成果，受到同行的好评和认可，并荣获俄罗斯科学院的奖金。该书的出版，使门捷列夫声名鹊起，好几所大学同时聘请他讲课。门捷列夫博学多才，讲课富有激情，风趣生动，旁征博引，挥洒自如。学生们说：过去学习化学，觉得零乱无序，机械记忆，难以接受。听了门捷列夫讲课后，才开始认识到化学是一门丰富生动的科学。
早在彼得堡大学任教时，门捷列夫就为怎样讲解化学课煞费苦心。当时教科书中的化学知识是孤立的，看不到联系，元素化合物知识更是杂乱无序，内容枯燥无味，教师教得辛苦，学生学得吃力。门捷列夫下决心整理出头绪。他经常思考的一个问题就是如何把化学元素加以分类把握，以便找出元素之间的规律，使学生学习时有章可循。他是个有心人，处处留心。在德国进修时的一次国际科学大会上，各国科学家的精彩报告给门捷列夫启发很大，影响是深远的。门捷列夫后来回忆说：“我的周期律的决定性时刻在1860年，我参加了卡尔斯鲁厄代表大会，在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他详尽论述了原子量，给了我很大启发。一种元素的性质随原子量的递增而呈现周期性变化的基本思想冲击着我。”从此，他确立了自己的研究方向和目标，为此付出了毕生的努力，也铸就了辉煌。
道尔顿提出科学的原子论之后，许多化学家都把主要精力集中在元素原子量与性质之间关系的研究上，期望能找出原子量与性质之间的联系。1829年，德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”观点。他把当时已知的44种元素中的15种分成5组，指出每组三元素的性质相似，而且中间元素的原子量等于较轻元素和较重的两元素原子量的算术平均值。如钙、锶、钡；氯、溴、碘；锂、钠、钾。这样的分类有许多令人不满意的地方，所以并没有引起化学家们的重视。
1862年，法国化学家尚古多提出了一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。他第一个指出了元素性质的周期性变化，可惜的是他的报告无人理睬。
1864年，德国化学家迈尔在他的《现代化学理论》一书中刊出了“六元素表”。他明确地指出：“在原子量数值上具有一种规律性，这是毫无疑义的。”可惜他制的表中只列出了已知元素的一半。
1865年，英国化学家纽兰兹提出了“八音律”之说。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列在表中，发现元素的性质有周期性的重复，第八个元素与第一个元素性质相近，就好像音乐中八音度的八个音符一样，有相似的重复。纽兰兹的工作同样被否定，有的学者曾挖苦他说：你为什么不按元素的字母顺序排列呢？那样也许会有意想不到的美妙效果。
“三元素组”、“六元素表”、“八音律”虽然都存在这样或那样的错误，但是应该看到，它们也都从不同的角度，逐步深入地探讨了各元素间的某些联系，揭示了局部的规律性，使人们一步步逼近了科学的真理。
这期间，门捷列夫也在倾注精力探索原子量与元素性质之间的内在联系，并紧紧抓住原子量作为各种元素的基本特性去探讨元素性质的演变规律。他对所掌握的大量资料进行比较、核对和验证，做了一番去粗取精、去伪存真的整理工作，对有疑问的原子量，他根据其化学性质并利用原子价、当量、原子量之间的关系作了大胆修订。他对各种元素分类方案，诸如根据元素对氧和氢的关系所作的分类、按金属与非金属的分类、根据化学活性的顺序分类、根据原子价的分类、根据元素的综合化学性质的分类都一一作了认真的研究。在深入研究原子量与原子价时，门捷列夫对各种元素的原子量可以相差很大而原子价的变动范围较小这一情况有很深的印象，而且有许多元素具有相同的原子价，也恰恰是这些元素的化学性质彼此非常相似。他注意到一价元素都是最典型的金属，七价元素都是典型的非金属，四价元素的性质恰好介于金属与非金属之间。这就使他坚信各种元素之间一定存在着统一的规律性。他将元素按原子量的大小顺序排列起来，看到氯和钾的原子量相差不多，但性质截然不同；而钾与钠原子量相差颇大，但性质酷似。在钾以后的元素随原子量的增加其性质又显示出从钠到氯的相似演变。这些现象使他坚信各种元素的性质间存在着周期性变化规律。
1869年2月，门捷列夫发表了第一份关于元素周期律的图表，不久又作了进一步的修正，把自己的思想写在《元素属性和原子量的关系》的论文中，阐述了元素周期律的基本论点：
（1）按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。
（2）原子量的数值决定元素的特征。
（3）应该预料到还有许多未发现的元素，例如会有分别类似铝和硅，原子量介于65～75之间的两个元素。现在可以由已知元素的某些性质，去预测它们的同类元素，从而发现它们。
（4）当我们掌握了某些同类元素原子量之后，可借此修正该元素的原子量。
门捷列夫在这张表中初步实现了使元素系统化的任务，把已发现的63种元素全列进表中。全表有67个位置，尚有四个空位只有原子量而没有元素名称，门捷列夫预示必有与其相对应的尚未发现的元素存在。根据他的周期律，他还先后修正了十多种元素的原子量，实践证明都是正确的。
为什么其他人只发现了元素的周期性而门捷列夫却发现了比周期性具有更大理论价值的周期律呢？主要是门捷列夫在三个方面干得比他人更出色。
首先，他不是机械地利用已知的原子量，而是小心地把可疑的原子量找出来，一一加以校正。别的研究者在这方面比较大意，完全沿用已有原子量数据，导致按原子量排列的元素顺序出现不少差错。第二，门捷列夫觉得别人研究元素分类时，只重视原子量却忽视了对元素的各种性质的综合研究。这使他们所排的元素经常错位。门捷列夫排列元素位置时非常重视对多方面性质的综合考虑。为此他曾把当时已知元素的相关信息制成63张卡片，反复琢磨，在玩着特殊的牌，以至于有些人误认为他不务正业。第三，门捷列夫周期律不但能演绎出当时已知元素的性质，而且还能预言未知元素的性质。当他在根据原子量递增呈现周期性变化遭到破坏和中断时，这位卓越的科学家坚信自然界不可能有这样的断层。于是他大胆地预言自然界中必有尚未被发现的元素存在。他根据大自然应有的和谐规律，准确预言了这些尚未被发现的元素属性。他在一篇文章中写道：“紧接着锌后面，应该是具有原子量接近68的一种元素。因为这种元素在第Ⅲ族，紧接在铝下面，所以我把它叫类铝。它处在铝和钅因之间的位置上，因此具有接近这两种元素的性质，它在金属状态时比重接近6。这种金属性质在各方面应该是从铝的性质向钅因的性质过渡。完全可以设想，这种金属将比铝具有更大的挥发性，因此可望在光谱的研究中发现。”四年后，法国化学家布瓦德朗在用光谱分析锌矿时发现了一种新元素，正是类铝，即镓。门捷列夫获悉布瓦德朗发现镓的报告后，立即寄去了一封信。说镓正是类铝，不过镓的比重不是4.7，应在5.96～6.0之间。看完信，布瓦德朗十分震怒，镓是他首先发现的，远在千里之外的异国他乡的门捷列夫却武断地指责镓的比重测量不准确！严谨的科学作风促使他又重新提纯了镓，结果是5.94，这使他惊讶不已。门捷列夫所预言的类硅在1886年由德国化学家文克勒所发现。他把这种元素命名为锗。当文克勒看到自己发现的锗与门捷列夫预言的类硅性质十分吻合时，惊叹不已（比较见下表）。他说，再也没有比“类硅”的发现能这样雄辩地证明元素周期律的正确性了。它不仅证明了这个有胆识的理论，还扩大了人们在化学方面的眼界，而且在认识领域里也迈进了一步。