وی پس از طی تحصیلات مقدماتی در زادگاهش راهی دانشگاه مسکو شد اما در امتحان ورودی موفق نشد. با این حال تحصیلات خود را در مؤسسه تربیت معلم ادامه داد و به ریاضیات، فیزیک و شیمی علاقه فراوانی نشان داد. دیمیتری جوان ضعیف و بیماری بود و همیشه از بیماری ریه رنج می برد به طوری که در ۲۱ سالگی امیدی به زنده ماندنش نبود. وی پس از چندی برای ادامه تحصیل به فرانسه و آلمان سفر کرد و در آن جا تحقیقات و مطالعاتی درباره نور به انجام رساند. مندلیف سپس به پترزبورگ بازگشت و با نگارش مقاله الکل با آب، موفق به اخذ درجه دکترای شیمی گردید. او در ۱۸۶۹م، بعد از چند سال کار و کوشش و گردآوری دانستنی های شیمی، آماده تدوین جدول عناصر شد. تا آن تاریخ، نزدیک به ۶۳ عنصر شیمیایى شناخته شده بود. مندلیف در جستجوی کشف راه حلی بود که بتواند به نحوی این عناصر را به یکدیگر ارتباط دهد. او ۶۳ عنصر را به ترتیب افزایش وزن اتمی درجدول مرتب کرد که هیدروژن در اول و عنصر اورانیوم در آخر بود. مندلیف پی برد که با قرار دادن این عناصر در هفت گروه، بر حسب خواص فیزیکی و شیمیایى، نظم و ترتیب جالبی به وجود میآید، چرا که بعد از هر هفت عنصر، دوباره همان خواص تکرار می شود. این جدول می توانست تغییر حالت خواص شیمیایى عناصر را با در نظر گرفتن وضع آنها در جدول به آسانی پیش بینی کند. مندلیف در صدد بود که با استفاده از جدول تناوبی، وضع عناصر دیگری را که تا آن موقع کشف نشده بود در جدول تعیین کند. از این رو، وزن اتمی و خواص شیمیایى چند عنصر را که ناشناخته بود در جدول پیش بینی کرد و جای آنها را خالی گذاشت. جدول تناوبی مندلیف در ابتدا با استقبال مواجه نشد ولی با کشف عناصر دیگر، جاهای خالی پر شد و او به شهرتی جهانی دست یافت. در طی سالهای بعد، تمامی آکادمیهای کشورهای جهان غیر از مملکت خودش، او را به عضویت دعوت کردند؛ زیرا مندلیف مردی آزادیخواه و طرفدار جدی حقوق زن بود و به این علت مورد لطف آکادمی های داخلیِ طرفدار تزار روس قرار نگرفت. امروزه، جدول تناوبی عناصرْ کامل شده و عناصرْ با نظم خاصی به ترتیب عدد اتمیشان در خانه های جدول قرار گرفته اند. دیمیتری مندلیف سرانجام در دوم فوریه ۱۹۰۷م در ۷۳ سالگی در اوج شهرت درگذشت.