Родился в г. Тобольске. Русский ученый, член-корреспондент Петербургской Академии наук. В 1855 г. окончил Главный педагогический институт в Петербурге. В 1855–1856 гг. – учитель гимназии при Ришельевском лицее в Одессе. В 1857–1890 гг. – преподаватель в Петербургском университете, одновременно в 1863–1872 гг. – профессор Петербургского технологического института. В 1859–1861 гг. находился в научной командировке в Гейдельберге. С 1892 г. – ученый-хранитель Депо образцовых гирь и весов, которое в 1893 г. по его инициативе было преобразовано в Главную палату мер и весов (с 1893 г. – управляющий).
Научные работы Менделеева относятся преимущественно к общей химии, а также к физике, химической технологии, экономике, сельскому хозяйству, метрологии, географии, метеорологии. Он исследовал явления изоморфизма, раскрывающие отношения между кристаллической формой и химическим составом соединений, а также зависимость свойств элементов от величины их атомных объемов. В 1860 г. открыл «температуру абсолютного кипения жидкостей», или критическую. Менделеев – автор первого русского учебника «Органическая химия» (1861). Работая над трудом «Основы химии», открыл 1 марта 1869 г. один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических элементов. Развил идеи периодичности, ввел понятие о месте элемента в Периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе исправил значения атомных масс многих элементов (бериллия, индия, урана и др.). Предсказал существование, вычислил атомные массы и описал свойства трех еще не открытых элементов – «экаалюминия» (открыт в 1875 г. и назван галлием), «экабора» (открыт в 1879 г. и назван скандием) и «экасилиция» (открыт в 1885 г. и назван германием). Затем предсказал существование еще восьми элементов, в том числе «двителлура» – полония (открыт в 1898 г.), «экаиода» – астата (открыт в 1942–1943 гг.), «двимарганца» – технеция (открыт в 1937 г.), «экацезия» – франция (открыт в 1939 г.). В 1900 г. Менделеев и Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в Периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.
Менделеев создал гидратную теорию растворов. Развил идеи о существовании соединений переменного состава. Исследуя газы, нашел в 1874 г. общее уравнение состояния идеального газа, включающее как частность зависимость состояния газа от температуры, обнаруженную в 1834 г. физиком Клапейроном (уравнение Клапейрона–Менделеева). Выдвинул гипотезу происхождения нефти из карбидов тяжелых металлов, предложил принцип дробной перегонки при переработке нефтей.
Занимался вопросами химизации сельского хозяйства. Постоянно вникал в насущные нужды промышленности, посещал фабрики и заводы, рудники и шахты. Совместно с Чельцовым принимал участие в разработке бездымного пороха. Создал физическую теорию весов, разработал конструкции коромысла, точнейшие методы взвешивания.
Менделеев интересовался литературой и искусством, собрал огромную коллекцию репродукций картин художников разных стран и народов.
Менделеев – один из основателей Русского физико-химического общества, названного его именем. В его честь назван элемент № 101 – менделевий. Академия наук СССР учредила в 1962 г. премию и Золотую медаль им. Д.И. Менделеева за лучшие работы по химии и химической технологии.
Д.И. Менделеев был семнадцатым ребенком в большой семье. Он был дважды женат, у него было трое сыновей и две дочери. Современники говорили, что этот великий ученый «создал свою жизнь как произведение искусства».