为了能够让门捷列夫到莫斯科大学去就读，玛丽雅·德米特利耶芙娜·门捷列也娃决定离开居住多年的家乡——托博尔斯克市，把家迁往大城市莫斯科去。
玛丽雅·德米特利耶芙娜·门捷列也娃把工厂做了清算，并变卖了家中的全部资产。1849年夏天，她带上年仅15岁的门捷列夫和小女儿丽莎乘坐着马车开始了遥远的行程。
托博尔斯克距莫斯科有2000多公里的遥远路程。
路上，门捷列夫看到了秋明、斯维尔德洛夫斯克、喀山、梁赞等俄罗斯西部的重要城市，看到了古老宏伟的大教堂和风格一新的欧洲哥特式建筑。
路上，他看到了俄罗斯大片大片的原始森林，看到了生活在那完美的森林之中的各种野生动物，它们生活得那样无忧无虑，令他羡慕和嫉妒。
路上，他看到了西伯利亚那辽阔的草原，成群的牛羊和飞奔的骏马。他能为置身于这样的国度里感到骄傲和自豪。
路上，他看到托博尔河、卡马河、奥卡河等许多河流，经过了乌拉尔山脉，使他对这里的地质构造有了进一步的了解。
路上，他听到了高加索汉子那粗犷的带着近乎野性的笑声和俄罗斯姑娘那像夜莺般甜美的歌声。
路上，他经历了风雨的洗礼，也更加懂得了人生的艰难。
路上，他也看到了被蝗虫咬得东倒西歪的庄稼，老人抱着孩子，呆呆地伫立在田头。
路上，他看到乌里扬诺夫斯克一带发大水，船从屋顶上驶过，水里飘浮着死猪、死牛和死人。
路上，他看到在许多大城市中，那些瘦得叫人心酸的和他几乎是一样大年龄的孩子，把头钻进垃圾箱里去拣东西吃。还有那些肚皮贴着脊背的老乞丐，摇着风琴向行人乞讨，风琴在冷风中呜咽。
这千里之行，既使门捷列夫对俄罗斯的秀美风光终身难忘，对俄罗斯无尽的宝藏和资源有了比较清楚的认识；也使门捷列夫看到了沙皇尼古拉一世统治俄国的现实：贫富不均，多灾多难……门捷列夫此刻只有一个愿望：尽快赶到莫斯科，赶快学到新的知识，好用科学来拯救自己的祖国——俄罗斯。
门捷列夫和母亲、姐姐，经过千辛万苦，长途跋涉来到莫斯科。正当他准备报考莫斯科大学时，莫斯科大学却把这位来自西伯利亚的年轻人拒之门外。为此，玛丽雅·德米特利耶芙娜·门捷列也娃曾多次同莫斯科大学校方交涉，但得到的回答却是：门捷列夫是托博尔斯克中学的毕业生，出身学校不在指定的校区之内，所以，按照规定，门捷列夫只能报考喀山学区的大学，而不能进入莫斯科大学学习。
没有办法，玛丽雅·德米特利耶芙娜·门捷列也娃只好带着门捷列夫和丽莎又去了当时俄国首都的所在地——彼得堡。
在彼得堡，门捷列夫考上了医学外科学校，在这里，很短的时间内，他的才华便显露出来了。然而不幸的是，一次，他在上尸体解剖课时，一看到尸体就当场晕了过去。没有办法，门捷列夫只好忍痛放弃了学医的打算。
玛丽雅·德米特利耶芙娜·门捷列也娃不相信彼得堡会没有自己儿子的立足之地。于是，她又带着门捷列夫来到了丈夫生前就读的学校——彼得堡高等师范学校。
当时这所在沙皇统治下的学校，借口学生参加了政治问题的讨论而暂时停止招考新生。但这次，门捷列夫很幸运。母亲玛丽雅·德米特利耶芙娜·门捷列也娃找到了丈夫生前的几个老朋友，在他们的帮助下，教育大臣才破例批准：只要门捷列夫各科考试都及格，就允许他入学。
经过十分严格的考试，门捷列夫终于被彼得堡高等师范学校的物理数学系所录取，并且得到了政府津贴住宿生的待遇。
彼得堡高等师范学校附属于彼得堡大学，由历史、语文和物理数学系组成，学生只有100人左右，但有好几位著名的科学家在这里任教。他们当中有著名的物理学家楞次、数学家奥斯特洛格拉德斯基。特别是化学家伏斯克列·辛斯基在这里任教，他对门捷列夫的学习和以后的工作产生了重要的影响。门捷列夫把这位著名的化学教授称之为“俄罗斯化学之父”。
刚刚进入彼得堡高等师范学校学习时，门捷列夫由于原来学校教学条件和师资水平的限制，使他一时很难跟上老师讲课的速度，所以，他感到学习特别吃力。几次考试成绩下来，也不是很令人满意。他在冷静地分析了自己在学习上存在的问题后，便把主攻方向用在以前自己掌握的不甚牢固的基础知识上。在那段时间里，他整天埋头于学习，为了节省时间，他常常是早晨吃饭时多买几片面包，中午和晚上就着开水凑合一顿，就连星期天，门捷列夫也很少回家，经过几个月的努力，他很快就追了上来，并且成为班级的优等生。
彼得堡高等师范学校开设德语课。门捷列夫刚进入彼得堡高等师范学校那几天，听起德语课来就像坐飞机似的，腾云驾雾，稀里糊涂。为了尽快学好德语，门捷列夫就下笨功夫，别人读一遍，他就读十遍。他还把德语单词写在一个小本本上，每一页正面写俄文，后面写德文。清晨一起来，就学德语，甚至在排队买饭时，他手里仍然拿着那个小本本，口中念着德语单词。有时，发音不准，他就用俄语给德语单词“注音”。经过刻苦努力，不长时间，他在上课时，便能逐渐地听懂老师的讲话了。后来，他的德语进步得很快。
一次，几名德国著名的化学专家来彼得堡高等师范学校进行业务交流。马上就要开会了，负责翻译工作的德语教师却迟迟未到，后来大家才知道，他在上班的路上，给马车撞伤了，被送进了医院。校长和老师们都很着急。这时，坐在会场后排准备听研讨会的门捷列夫走到前面来，对伏斯克列·辛斯基教授说：“教授，我来担任德语翻译可以吗？”
“你行吗？”伏斯克列·辛斯基教授瞪大了眼睛，打量着眼前这位年轻人，那眼神分明是在说：这么大型的学术交流会议，可不是闹着玩的！
门捷列夫看了看教授，平静而又十分自信地说：“试一试吧。”
研讨会开始了，门捷列夫和德国著名的化学家一起站在讲台上，他把德国专家的话翻译成俄语，又把学校几位化学家的话翻译成德语，在场的全体师生包括德国专家都十分佩服这位小翻译，有些人还以为他是在德国长大的呢，可是有谁又会想到，几个月前，门捷列夫连最简单的德文字母还不认识呢！
以后，门捷列夫又选学了英语和法语。他常说：“多学一门外语，就多熟悉了一个世界，就能够学到许许多多的知识。科学是没有国界的，但它们之间需要由一座桥梁联结起来，而这个桥梁就是外语。”
夜，已经很深了，彼得堡高等师范学校的图书馆里已经没有几个人了。
“小伙子，还要看一会儿吗？”值班人安德罗波夫微笑着对门捷列夫说。对于面前这个年轻人，说真的，安德罗波夫一开始还有点儿看不上眼儿，土里土气的，一看就是个来自西伯利亚什么小地方的人儿。可渐渐地，他被眼前这个年轻人的毅力折服了。这个年轻人，每天晚上都到这儿，拿着一本书看呀，写呀，他似乎总也不知道累。以后，他和门捷列夫成了好朋友，从言谈中他知道了门捷列夫的家庭情况，也知道了他为什么这么刻苦。他笑着对门捷列夫说：“把门关上，你看书吧，我可要睡一会儿去了。”
图书馆的大厅里只有门捷列夫一个人了，他一点儿也不觉得冷清和孤单。他看呀，看呀，累了就伸伸腰儿，接着再看。就是在这里，他发现了自己的不足。他清楚地记得，在刚来到大学学习的几个星期里，他遇到了一些没有料到的障碍。他认为自己头脑聪明，可是在课堂上，他却发现自己常常有许多句子因为老师说得太快而听不清楚；他认为自己受过充分的科学教育，但他在偏远的托博尔斯克中学所学到的知识，却不能代替彼得堡中学毕业生的扎实的教育。门捷列夫这时才发现，他在数学、物理和化学知识上还有很大的缺陷，为了得到他时时刻刻都羡慕的理学士的华贵的头衔，为了用更好的成绩来报答母亲的一片苦心，他知道应该必须去努力，去用功！
今天是伏斯克列·辛斯基教授讲课，门捷列夫来得很早。教室里微弱的光线，照着那前后座位排得一行比一行高的梯形教室，门捷列夫选定了下面一个离教授很近的座位，有条不紊地摆好了书、笔和笔记本，马上就要用他那整齐好看的字在上面记笔记了。门捷列夫先静下心来，集中注意力，周围越来越大的闲谈声音，他简直就没有听到。当伏斯克列·辛斯基教授走进来的时候，教室里的闲谈声马上就停止了。
在门捷列夫看来，伏斯克列·辛斯基讲课前能够造成一种紧张的寂静，真够神奇的。
教室里，同学们都低着头，记录着伏斯克列·辛斯基教授在黑板上写的各种公式。
伏斯克列·辛斯基教授穿着笔挺的西装，平静地讲着：“铁为什么会生锈呢？这要从金属的腐蚀谈起。”他用手扶了扶眼镜框，提高了语调：“金属与周围的物质相接触，就会发生化学反应，金属因而受到的破坏作用就叫做腐蚀。它的本质就是金属失去电子，变成金属离子，于是金属在这一过程中就减少了。所以说，金属越活泼，失去电子的倾向就越大，被腐蚀的可能性就越大……”
伏斯克列·辛斯基教授的讲述，解释非常清楚，说法也很别致，论证极其简洁明了，一下子就抓住了问题的中心。
门捷列夫坐在凳子上，脸上带着赞赏的微笑。他在想，怎么会有人觉得科学枯燥无味呢？还有什么东西比支配宇宙不变的定律更能吸引人、陶醉人呢？还有什么东西比发现这些定律的人类的智慧更神奇、更美妙呢？他看着黑板上的那些公式、符号，经教授的粉笔一串连，竟变成一幅优美的图画，这就是知识的奥秘吧！门捷列夫的心中涌动着一种冲动，他要向那无穷无尽的知识前进，要向物质和物质规律前进，他要找到那把打开知识大门的金钥匙！
学习，再学习；用功，再用功！门捷列夫像一台开足了马力的机器，在知识的海洋里拼命地吸吮着营养。逐渐地，他的头脑开始充实了，他觉得自己已经开始有能力学习人类已经发现的一切东西了。他的数学、物理、化学等几门课程都取得了非常好的成绩。同时，他在物理学家楞次、化学家伏斯克列·辛斯基等著名教授的指导下，渐渐地熟悉了做科学试验的各种技术。
特别是卓越的化学家和教育家伏斯克列·辛斯基对于门捷列夫的品德培养起了极大的作用。他一方面向门捷列夫传授知识，培养他的各种试验技能；另一方面，他还仔细地观察门捷列夫的天赋特点，并以伟大的教育家的耐心和热忱鼓励门捷列夫去发扬这些优点。对于门捷列夫提出的各种各样的问题，哪怕这其中只有一点点合理的成分，他都要对门捷列夫大加赞扬。他认为，一个人只要有了活泼的创造思想，他才能够去进行独立思考和进行创造。他经常鼓励门捷列夫，要善于捕捉思想上的火花，并通过大胆的思考和实验去克服前进中的一切障碍。
楞次和伏斯克列·辛斯基教授还经常交给门捷列夫一些研究工作去做，虽然这些研究不太重要，但是却给了他一些动手的机会和表现他的思维的敏捷性和创造性的机会，这使门捷列夫很快乐。
门捷列夫非常喜欢实验室这种专注、宁静的气氛。在这里，无论是什么事情，在通过它的检验面前，都是那么公正、无私。当然，这也是一项非常艰苦细致的劳动，有些结论是经过十次、二十次乃至上百次的试验才得出来的。正如门捷列夫后来在一本书中写道的：“别人谈论的往往是科学事业中的巨大困难，然而在实验室里，伏斯克列·辛斯基教授常常教导我们说：‘馅饼不是从天上掉下来的’。”
东方渐渐地开始发白，月亮消失了光辉，整个天空慢慢地变成了玫瑰色。天越亮，景色也越加优美。一轮火红的太阳在紫褐色的雾霭中，向着周围喷发出光焰。多么美丽的景色啊！门捷列夫推开实验室的窗子，站在窗前，一夜的疲倦顿时消失散尽。他尽情地呼吸着这清新的空气，他伸开双臂，去迎接那新的一天的到来……
