В Гейдельберге у Д. И. Менделеева была «интрижка» (по его выражению) с немецкой актрисой Агнессой Фойгтман, в результате которой он высылал в Германию деньги до тех пор, пока его родившаяся в Германии дочь не вышла замуж.
Во время пребывания в Германии Д. И. Менделеев участвует в работе первого Международного химического конгресса в Карсруэ, что явилось «решающим моментом в развитии моей мысли о периодическом законе», — написал он много лет спустя.
В 1861 году Д. И. Менделеев возвращается в Петербургский университет на кафедру органической химии, где пишет знаменитый учебник «Органическая химия», преподаёт во 2-м кадетском корпусе, в корпусе инженеров путей сообщения, в Военно-инженерном училище и в Военно-инженерной академии.
Об учебнике «Органическая Химия» Н. Н. Зинин сразу же сказал: «В год всё разойдётся». И действительно, в 1862 вышло её второе издание, а автор был удостоен «Демидовской премии», на которую (1000 рублей!) Д. И. Менделеев отправляется в свадебное путешествие по Европе. Было ему тогда 28 лет.
Д. И. Менделеев женится на Феозве Никитичне Лещёвой (чья фамилия иногда пишется как Лещова), к чему его довольно долго склоняла старшая сестра — Ольга Ивановна, бывшая замужем за декабристом Басаргиным и после ссылки вернувшаяся в Петербург. Феозва Никитична была старше Дмитрия Ивановича на 6 лет, характер и интересы их плохо гармонировали и, видимо, предчувствуя будущие трудности, Менделеев буквально в последний момент перед женитьбой попытался отказаться от неё. Но Ольга Ивановна пристыдила брата: «Вспомни ещё, что великий Гёте говорил: "Нет больше греха, как обмануть девушку". Ты помолвлен. Объявлен женихом, в каком положении будет она, если ты теперь откажешь?»
«Менделеев уступил сестре, и эта уступка повлекла за собой затянувшиеся на много лет и мучительные для обоих супругов отношения. Конечно, выяснилось это не сразу…» («50 гениев, которые изменили мир», Харьков, «Фолио», 2003).
В этом же году в «Учёных записках Казанского университета» Д. И. Менделеев писал: «Все воззрения, встреченные мною в Западной Европе, представляли для меня мало нового…».
В 1865 году Д. И. Менделеев защищает докторскую диссертацию «О соединении спирта с водой», в которой он изложил свою теорию растворов, в результате чего возникли слухи, что он нашёл секрет приготовления русской водки и что Менделеев якобы заработал огромные деньги, изготовляя поддельные французские вина для магазинов Елисеева.
Но что является бесспорным фактом, так это то, что его измерения были положены в основу алкоголиметрии в Голландии, Германии, Австрии, России.
В этом же году вскоре после рождения сына Владимира (впоследствии выпускника Морского корпуса) Д. И. Менделеев совместно с профессором Н. Ильиным покупает маленькое имение Боблово около Клина, и с 1866 года вся дальнейшая жизнь его была связана с Бобловым, куда его семья (жена, сын Владимир и дочь Ольга, родившаяся в 1868 году) выезжала ранней весной и возвращалась в Петербург поздней осенью.
После защиты докторской диссертации Д. И. Менделеев возвращается в Петербургский университет, возглавив кафедру общей химии.
Здесь он читает совершенно удивительные лекции, интенсивно ведёт эксперименты, пишет знаменитый труд «Основы химии», где «много самостоятельного в мелочах, а главное — периодичность элементов, найденная именно при обработке «Основ химии». «"Основы" — любимое моё дитя. В них мой образ, мой опыт педагога и мои задушевные мысли», — писал Д. И. Менделеев.
В 1867 году Д. И. Менделеев вошёл в состав комитета, которому предстояло организовать русский павильон на Всемирной промышленной выставке во Франции. Результатом этого явился отчёт под названием: «О современном развитии некоторых химических производств в применении к России и по поводу Всемирной выставки 1867 года».
Д. И. Менделеев стремился к развитию в России «большой» принципиальной науки, что в настоящее время называется «фундаментальными исследованиями», для развития которых в современной нищей, демократической России организован Российский Фонд Фундаментальных Исследований.
В 1869 году в Боблове вместо старого деревянного дома Д. И. Менделеев выстроил новый — каменный с деревянным верхом, с шестью комнатами в нижнем этаже и с его книгами, приборами, инструментами — на втором.
В Боблове у Менделеева был образцовый скотный двор с племенным скотом, молочная, конюшня, опытное поле с пробами различных удобрений, куплена молотилка. Менделеев предполагал также с помощью «Вольного экономического общества» осуществить сельскохозяйственные опыты в шести местностях России в течение нескольких лет, но это удалось сделать только в двух местах за три года. Одним из таких мест было опытное поле Д. И. Менделеева.
И уже в 1869 году, когда ему было 35 лет, Д. И. Менделеев знакомит многих химиков со статьёй «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» и докладывает эту работу на заседании только что созданного Русского химического общества. После дальнейшей доработки в 1871 году появилась его знаменитая статья «Периодический закон для химических элементов» — «в ней Д. И. Менделеев даёт периодическую систему, по существу, в её современной форме и предсказывает открытие новых элементов… Для них он оставляет в таблице "пустые места"».
Мало того, уяснение периодической зависимости позволило Менделееву исправить атомные веса 11 элементов и изменить в исходной системе местоположение 20 элементов. Он не только предсказал существование 11 ещё не открытых элементов, но и дал подробнейшее описание свойств трёх из них, которые, как он считал, будут открыты раньше других.
Сам Д. И. Менделеев так оценивал сделанное открытие: «Это лучший свод моих взглядов и соображений о периодичности элементов и оригинал, по которому писалось потом так много про эту систему".
Говорят, Д. И. Менделеев открыл свой Периодический закон во сне, когда ему приснилась эта стройная система, но каждый учёный, занимающийся каким-то исследованием, знает, что решение проблемы, над которой постоянно думаешь, может прийти в самый неожиданный момент, что дневные раздумья не оставляют и во сне. Иногда приходится слышать, что Периодический закон был открыт ещё до Д. И. Менделеева, и при этом чаще всего упоминается имя Лотара Мейера, но Менделеев отмечал, что до него были «некоторые зародыши периодического закона», которые не идут ни в какое сравнение со стройной (и современной) системой Д. И. Менделеева. А Лотар Мейер писал: «Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев».
После открытия Периодического закона Дмитрий Иванович расширяет сферы своих научных интересов. Его волнуют проблемы, не только связанные с химией, но и касающиеся общих аспектов развития производительных сил и научной мысли России. Здесь в полной мере проявились огромная эрудиция Д. И. Менделеева, энциклопедичность ума, гражданственность позиции.
«Разносторонность интересов, умение везде оставить печать своего таланта, какая-то удивительная способность внешне легко достигать подлинных высот в познании предмета, несомненно, роднят его с Леонардо да Винчи, Михаилом Васильевичем Ломоносовым… Сам же Дмитрий Иванович говорил об этом просто: "Сам удивляюсь, чего только я ни делывал на своей научной жизни"» (академик Ю. А. Овчинников).
Менделеев много ездил по России, видел необходимость превращения сельскохозяйственной страны в индустриальную державу, пробуждал патриотические настроения и силы русского общества. По возвращении из США Д. И. Менделеев отмечал: «…Нашим бакинским… техникам нечему учиться у американцев относительно перегонки, можно если что позаимствовать, так это некоторые механические приспособления».
В 1877 году уже после приезда Д. И. Менделеева из США в его университетскую квартиру переехала его сестра — Екатерина Ивановна Капустина с детьми и внучкой. Вскоре в семье Капустиных появляется новый человек — донская казачка 17-летняя Анна Ивановна Попова, дочь отставного казачьего полковника. Девушка немного играла, немного рисовала и поступила в Русскую Академию художеств, а после переезда Капустиных в квартиру Д. И. Менделеева (где у него была своя половина с проходом в кабинет, лабораторию и помещения университета) у Менделеева появилась возможность часто встречаться с А. И. Поповой на «семейной половине» квартиры.
После переезда А. И. Поповой в отдельную квартиру и после возвращения к Капустиным эти встречи не прекратились, так как она появлялась на «менделеевских вечерах», на которые собирались люди, близкие хозяину квартиры, представители науки и искусства. Художественные магазины присылали к менделеевским «средам» новые издания.
В 1880 году Д. И. Менделеев не был избран членом Академии Наук, но к этому времени стараниями А. М. Бутлерова и Н. Н. Зенина членами-корреспондентами Российской академии наук были избраны университетские профессора, в том числе и Д. И. Менделеев (1876 год). Вместо него академиком стал швед Баклунд (не знавший русского языка), а затем Ф. Ф. Бейльштейн — автор справочника по органической химии.
А. М. Бутлеров, представляя кандидата в академики, сказал: «Профессор Менделеев первенствует в русской химии, и мы смеем думать, разделяя мнение русских химиков, что ему принадлежит по праву место в первенствующем учёном сословии Российской империи…» (цитируется по книге В. Чумакова «Гимн, Юбилей-50, Лицемерие, рассказы и эссе», М., «Грантъ», 2001).
По предположениям А. М. Бутлерова против избрания Д. И. Менделеева академиком голосовали Литке (два голоса), Веселовский, Гельмерсен, Шренк, Максимович, Штраух, Шмидт, Вильд, Гадолин. За него голосовали Буняковский, Кокшаров, Бутлеров, Фаминцын, Овсянников, Чебышев, Алексеев, Струве, Савич.
Выходило, что Д. И. Менделеев не был избран потому, что был русским. Сам же Ф. Ф. Бейльштейн не раз говорил: «У нас в России больше нет талантов таких могучих, как Менделеев», что не мешало ему занимать место Д. И. Менделеева в Академии Наук.