ドミトリー・イヴァノヴィチ・メンデレーエフは、学校長イヴァン・メンデレーエフと妻マリア・コルニリエワの間に約14人兄弟の末っ子として生まれた。父はドミトリーが幼い頃に失明し亡くなった。

夫の死と火災によるガラス工場の損失の後、母マリアは幼いドミトリーと共にシベリアからサンクトペテルブルクまで歩いて彼の教育を確保した。彼女はその後まもなく亡くなった。

メンデレーエフは父も学んだサンクトペテルブルクの中央教育学院に入学した。結核を患いながらも、科学と数学で優秀な成績を収めた。

メンデレーエフは首席で卒業し、学業成績に対して金メダルを授与された。シンフェロポリで教えるよう配属されたが、クリミア戦争のためオデッサに移動した。

メンデレーエフは政府奨学金で西ヨーロッパに渡り、ハイデルベルクでロベルト・ブンゼンに師事した。独自の研究室を設立し、原子量に関するカールスルーエ会議に出席した。

メンデレーエフは有機化学に関する最初の主要な教科書を出版し、デミドフ賞を受賞した。これによりロシアの指導的化学者・教育者としての名声を確立した。

メンデレーエフは姉の勧めでフェオズヴァ・ニキチチナ・レシチェワと結婚した。結婚生活は不幸であり、最終的に別居したが、ロシアの法律では離婚は困難であった。

メンデレーエフはサンクトペテルブルク大学の一般化学教授に任命された。講義の準備中に、化学元素を体系的に整理する方法を模索し始めた。

メンデレーエフは元素の周期表を発表し、原子量順に配列して未発見元素の性質を予測した。伝説によると、この配列は夢の中で彼に浮かんだという。

メンデレーエフはエカホウ素、エカアルミニウム、エカケイ素と呼んだ3つの未発見元素の詳細な予測を発表した。これらの元素の発見により彼の周期律は実証された。

フランスの化学者ポール・エミール・ルコック・ド・ボアボードランがガリウムを発見し、メンデレーエフのエカアルミニウムの予測とほぼ完全に一致した。この勝利により周期表の有効性が確立された。

メンデレーエフは自分よりはるかに若い美術学生アンナ・イヴァノヴナ・ポポワと結婚した。ロシア法では技術的に重婚であったが、アレクサンドル3世は「メンデレーエフには妻が二人いるが、私にはメンデレーエフは一人しかいない」と言ったとされる。

メンデレーエフは学生の抗議活動をめぐる教育省との対立後、サンクトペテルブルク大学を辞職した。アカデミア外で科学研究を続けた。

メンデレーエフは度量衡局の局長に任命され、ロシアの測定を標準化した。また、産業・経済問題について政府に助言も行った。

メンデレーエフはインフルエンザによりサンクトペテルブルクで死去した。後に元素101番がメンデレビウムと名付けられた。彼の周期表は現代化学の基礎であり、科学史上最大の業績の一つである。