Менделеев — автор фундаментальных исследований по химии, химической технологии, физике, метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике, народному просвещению и других работ, тесно связанных с потребностями развития производительных сил России.
Менделеев исследовал (в 1854—1856 годах) явления изоморфизма, раскрывающие отношения между кристаллической формой и химическим составом соединений, а также зависимость свойств элементов от величины их атомных объёмов.
Открыл в 1860 году «температуру абсолютного кипения жидкостей» , или критическую температуру.
16 декабря 1860 года он пишет из Гейдельберга попечителю Санкт-Петербургского учебного округа И. Д. Делянову: «...главный предмет моих занятий есть физическая химия» [2].
Менделеев является автором первого русского учебника «Органическая химия» (1861 год) .
Работая над трудом «Основы химии» , открыл в феврале 1869 года один из фундаментальных законов природы — периодический закон химических элементов (на Западе, особенно в Германии, соавтором открытия считают Лотара Мейера) .
Развил в 1869—1871 годах идеи периодичности, ввёл понятие о месте элемента в Периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе исправил значения атомных масс 9 элементов (бериллия, индия, урана и др.) . Предсказал в 1870 году существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов — «экаалюминия» (открыт в 1875 году и назван галлием) , «экабора» (открыт в 1879 году и назван скандием) и «экасилиция» (открыт в 1885 году и назван германием) . Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе «двителлура» — полония (открыт в 1898 году) , «экаиода» — астата (открыт в 1942—1943 годах) , «двимарганца» — технеция (открыт в 1937 году) , «экацезия» — франция (открыт в 1939 году) .
В 1900 году Менделеев и Уильям Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в Периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.
Сконструировал в 1859 году пикнометр — прибор для определения плотности жидкости. Создал в 1865—1887 годах гидратную теорию растворов. Развил идеи о существовании соединений переменного состава.
Исследуя газы, Менделеев нашёл в 1874 году общее уравнение состояния идеального газа, включающее как частность зависимость состояния газа от температуры, обнаруженную в 1834 году физиком Б. П. Э. Клапейроном (уравнение Клапейрона — Менделеева) .
В 1877 году Менделеев выдвинул гипотезу происхождения нефти из карбидов тяжёлых металлов, которая, правда, на сегодня большинством ученых не принимается; предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти.
Выдвинул в 1880 году идею подземной газификации углей. Занимался вопросами химизации сельского хозяйства, пропагандировал использование минеральных удобрений, орошение засушливых земель.
Совместно с И. М. Чельцовым принимал в 1890—1892 годах участие в разработке бездымного пороха.
Является автором ряда работ по метрологии. Создал точную теорию весов, разработал наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложил точнейшие приёмы взвешивания.
В своё время интересы Д. И. Менделеева были близки к минералогии, его коллекция минералов бережно хранится и сейчас в Музее кафедры минералогии Санкт-Петербургского университета, а друза горного хрусталя с его стола является одним из лучших экспонатов в витрине кварца. Рисунок этой друзы он поместил в первое издание «Общей химии» (1903 год) . Студенческая работа Д. И. Менделеева была посвящена изоморфизму в минералах.
АН СССР в 1962 году учредила премию и Золотую медаль имени Д. И. Менделеева за лучшие работы по химии и химической технологии