Znanstvenik je avtor temeljnih raziskav na področju fizike, kemije, meteorologije, meroslovja, ekonomije, temeljnih del na področju kmetijstva, letalstva, javnega šolstva, kemijske tehnologije in drugih del, povezanih s potrebami ruskih proizvodnih sil.
V letih 1854-1856 je raziskal pojav izomorfizma, opisal je razmerje med kemično sestavo spojin in njihovo kristalno obliko, pa tudi odvisnost elementarnih lastnosti od vrednosti atomske količine.
Leta 1860 je znanstvenik odkril kritično temperaturo oziroma temperaturo absolutnega vrelišča tekočin.
Dmitrij Mendelejev je avtor prvega ruskega učbenika Organska kemija leta 1861.
Leta 1859 je zasnoval napravo za določanje gostote tekočine - piknometra.
Promocijski video:
D Mendeleev je raziskoval pline in leta 1874 našel splošno enačbo stanja za idealen plin.
Znanstvenik je leta 1877 predstavil hipotezo o izvoru težkih kovin iz karbidov nafte. Danes ga večina znanstvenikov ne sprejema. D. Mendeleev je predlagal načelo frakcijske destilacije pri rafiniranju nafte.
Leta 1880 je predstavil idejo o podzemni uplinjanju premoga.
Ukvarjal se je s kemikalizacijo kmetijstva, spodbujal uporabo mineralnih gnojil in namakanje zemlje.
V letih 1890-1892 je znanstvenik skupaj z I Cheltsov sodeloval pri laboratorijskem razvoju brezdimnega praška.
Je avtor številnih del na področju meroslovja, predlagal je najbolj natančne tehnike tehtanja, razvil najboljši načrt rokerske roke in ključavnice, ustvaril natančno teorijo lestvic.
V nekaterih letih je bilo zanimanje Dmitrija Mendelejeva blizu mineralogije. In zdaj je njegova zbirka mineralov skrbno shranjena v muzeju oddelka za mineralogijo univerze v Sankt Peterburgu. Iz njegove mize je najboljši eksponat v kremenčevi vitrini nosorogovo druse. Risba Druse ga je postavil v prvi izdaji Splošne kemije leta 1903.
Dmitrij Mendelejev je še kot študent opravljal delo na področju izomorfizma v mineralih.
Pot Dmitra Mendelejeva v znanosti se je začela z opazovanjem procesov izdelave stekla. Morda je to dejstvo igralo odločilno vlogo pri izbiri, kajti res je ta tema neposredno povezana s kemijo silikatov in seveda v takšni ali drugačni obliki stopi v stik z njegovimi raziskavami.
Dmitrij Mendelejev je med študijem stekla lažje razumel naravo silicijevih spojin in na tej snovi je lahko razločil pomembne lastnosti kemične spojine na splošno.
Dmitrij Mendelejev je približno 30 svojih del posvetil tematiki silikatne kemije, izdelovanja stekla in steklastega stanja.