1855年7月，门捷列夫在彼得堡高等师范学校毕业后，为了准备硕士论文，仍留在学校里。彼得堡高等师范学校考虑到门捷列夫的优异的毕业成绩和在化学方面的特殊的才能，也同意他可以留校工作，继续进行他在化学方面的研究。但是，由于门捷列夫的病势发展，却使他不能留在彼得堡。医生们都劝他到南方的城市去工作，因为那里温和的气候对于治疗他的病非常有利。
1855年8月，在南方的两个城市，即敖德萨和辛菲罗波里，有了教师职位的空缺。门捷列夫是彼得堡高等师范学校的优秀毕业生并获得了金质奖章，因此，他完全有资格来选择自己未来的工作地点。
敖德萨市有学术研究会和藏书丰富的图书馆，这里具有一切条件可以准备报考硕士学位，而在辛菲罗波里就完全没有这些条件。可就在这时，国民教育部门却把门捷列夫的姓名和一个姓雅恩吉维奇的“弄乱了”。因此，门捷列夫去敖德萨的愿望未能实现。虽然，彼得堡高等师范学校的校方多次出面与国民教育部门交涉，但已无法挽回。
1855年8月25日，门捷列夫被派到俄国首屈一指的疗养地——克里米亚，担任辛菲罗波里中学的自然科学教师。
门捷列夫来到辛菲罗波里中学时，俄军抗击侵犯祖国领土的英、法、奥、土联军的克里米亚战争正在进行。辛菲罗波里附近的塞瓦斯托波尔这座城市要塞也就成了克里米亚战争的主要的战场。
塞瓦斯托波尔的英勇保卫战是俄罗斯历史上光辉的一页。
塞瓦斯托波尔这座城市被英、法、奥、土联军围困长达11个多月，使一座繁荣的城市变成了堡垒林立的废墟。而位于它附近的辛菲罗波里则变成了军队的后方，城市里到处都是医院和粮食与军需仓库。1855年8月底，塞瓦斯托波尔沦陷了，然而由于正规战还在继续进行，所以，辛菲罗波里仍然处于战争状态中，为此，中学也停了课。
在辛菲罗波里，门捷列夫遇到了比罗果夫医生。这位著名的外科医生帮助门捷列夫解除了他对自己病势的不必要的顾虑。比罗果夫医生在为门捷列夫做了一次全面系统的身体检查后，立刻断定门捷列夫所患的并不是结核病（门捷列夫以前曾猜疑自己所患的是结核病），而是一种并不危险的心瓣膜病。从而使门捷列夫解除了思想负担，从此，他严格遵守比罗果夫医生的指示，坚持锻炼身体，在很短的时间里，健康状况有了十分显著的改善。
由于战争的关系，辛菲罗波里中学始终没有复课。于是，在1855年深秋，门捷列夫离开了辛菲罗波里，到敖德萨去休假。
门捷列夫在敖德萨市的生活环境很好，他很快地就在一所历史悠久的学校，即里西耶夫学术研究会附属的敖德萨第一中学获得了数学与物理教师的职位。从此，他一面教课，一面继续他的研究，准备来年报考著名的彼得堡大学的硕士学位。
克里米亚战争对敖德萨市的生活影响并不大。克里米亚的敖德萨市是一个巨大的文化中心，它有多所中学和一所诺沃罗西斯克大学，俄罗斯的许多著名科学家都曾在诺沃罗西斯克大学里讲过课，在与这些著名的科学家的频繁接触中，门捷列夫感到自己浑身充满了新生的力量。他在工作之余用那充满愉快的心情，开始在诺沃罗西斯克大学的实验室和图书馆里开展研究工作，准备题为《论比容》的硕士论文。
在撰写《论比容》的硕士论文中，门捷列夫首次提出了关于溶液性质在原则上非常重要的问题。这个问题后来在门捷列夫1865年的《关于酒精与水的结合》和1887年《水溶液比重之研究》两部著作中得到了更加充分的解决。由于这些研究的结果，创造了我们现在所学习的“水化”学说。
与此同时，门捷列夫还指出：比容是进行化合物分组的一个途径。这为他日后发现元素周期律，起到了十分重要的作用。
1856年5月，门捷列夫离开了殷勤好客的敖德萨市，只身来到彼得堡大学参加硕士考试。这次他又获得了辉煌的胜利：门捷列夫在所有的考试科目中都获得了最优异的成绩。同年9月，他又顺利地通过了论文答辩。彼得堡大学校务委员会一致同意授予门捷列夫物理和化学硕士学位。
门捷列夫在考取硕士学位的3天后，便向彼得堡大学递上了一份申请书，请求校务委员会允许他在下周内提出和答辩《论含硅化合物的结构》的初步报告。门捷列夫认为，这对于他获得彼得堡大学讲师席位和在彼得堡大学取得讲课资格是十分重要的。
门捷列夫的申请获得彼得堡大学校务委员会同意后，他就着手开始了紧张的工作。1856年10月21日，门捷列夫在发表了《论含硅化合物的结构》的学术报告的一个月后，又提出和答辩了《论含硅化合物的结构》的第二篇论文，由此，门捷列夫取得了在彼得堡大学任副教授的资格。
1857年1月，23岁的门捷列夫被彼得堡大学校务委员会任命为该校化学教研室的副教授，开始讲授化学课程。站在彼得堡大学讲坛上，门捷列夫思绪万千。他在心里默默地说：“妈妈，亲爱的妈妈，您看到了吗？您为我吃了那么多的苦，经受了那么多的磨难，今天，您的心愿实现了，您的儿子米金卡终于站到了彼得堡大学的讲坛上。他没有给您丢脸，他永远不会让您失望，永远……”
门捷列夫担任着理论化学和有机化学两大门课程的主讲任务，尽管教学和组织工作十分繁忙（门捷列夫还被选为系里秘书），但他一天也没有放松科学研究工作。两年里，他相继完成了多篇有关气体燃烧和冶金方面的论文，这些论文在国内外许多著名刊物上发表后，引起很大轰动。
当时的俄国沙皇政府，对科学研究工作极不重视，就是著名的彼得堡大学的实验室，条件也非常差。这里不但设备简陋，而且必要的通风和排风设备也没有。因此，门捷列夫在做试验时，无论是冬天，还是下雨天，都必须经常地到外面去呼吸新鲜空气。在当时，不仅实验室简陋，而且在彼得堡，连一些试验用的试管都买不到，甚至就连橡皮管都得实验人员自己制造。在这种情况下，门捷列夫为了使自己的研究能够再继续深入地进行下去，他不得不考虑出国的问题。
1859年1月，沙皇政府批准门捷列夫去德国进行“科学深造”，但期限只有两年。
门捷列夫简单地收拾了一下，便马上来到德国的海德尔堡。海德尔堡大学有许多著名的科学家，如本生、基尔霍夫等，和他们接触，使门捷列夫受益匪浅。同时，海德尔堡还有制造科学仪器的工厂和生产化学试剂的工厂，这些优越条件，对门捷列夫来说，是求之不得的。他十分珍惜这次出国的机会，很快便投入到紧张的学习和研究中去。
门捷列夫决定利用自己所领到的微薄的出国费来建造自己的小实验室。他根据自己设计的图样购买和订制了所需的仪器，并且把瓦斯管装引到自己的公寓里。他把自己所住的两间房子腾出一间来做实验室，还请来海德尔堡最优秀的工匠为自己制造专用的温度表和比重瓶。工匠们根据门捷列夫所设计的图样而制成的比重瓶，在以后的实验中获得了广泛的应用，这种比重瓶日后被人们称之为“门捷列夫比重瓶”。
门捷列夫在自己的实验室里埋头于他所一心向往的研究工作。
辛勤的汗水必然会获得丰收的喜悦。在德国的头一年里，门捷列夫就根据他的试验结果，连续发表了3篇论文。
门捷列夫在《论液体的毛细现象》中指出：毛细管中液面的上升，是由于液体分子之间存在着内聚力和液体分子与管壁之间存在着附着力。当通过加热，分子内聚力减弱，以至最后等于零时，液体就变成了气体。对于液体的研究，门捷列夫还发表了《论液体的膨胀》和《论同种液体的绝对沸点温度》。在后一篇论文中，门捷列夫提出了绝对沸点温度（即临界温度）的概念，并指出，当气体温度高于此温度时，无论施加多大的压力，都不能变为气体。门捷列夫这些论文的重大意义是不可估量的。因为，当时人们认为气体分为两种：即能够液化的气体和不能够液化的气体，即所谓“永久”的气体，如氧、氮、氢、甲烷、一氧化碳等都是不能够浓缩的气体，而门捷列夫正是根据自己的试验结果，首次指出了这种划分的错误。
1860年秋天，门捷列夫以筹备委员会成员的身份参加了在德国卡尔斯卢厄市举行的第一次化学家的国际会议。
这次会议是化学家的第一次世界代表大会——在化学史中起了重大的作用。
当时，化学仍然在经历着“混乱时期”，甚至连这门科学的基本概念都未确定，科学家们的见解纷纭，莫衷一是。门捷列夫从卡尔斯卢厄写信给他的老师伏斯克列·辛斯基说：“有些人认为当量就是互相代替，而不变其基本性质的物体数量；另外一些人则认为当量就是配量，即化合物中各种物体的重量比；还有一些人则认为，当量是根本不可能彻底理解的，它必然要引起意见的分歧。确定每一种物体质点时，有些人只承认化学特性，即反应；另一些人认为只需要物理的特征；最后，第三种人断言两种论点是一样的。”
会议上，许多著名化学家积极发言，各抒己见，争论十分热烈。不少著名的化学家还在会议上做了十分重要的学术报告，使门捷列夫眼界大开，受益匪浅。同时，他也看到，化学界“处在混乱状态”，缺少统一的理论做指导，从而，门捷列夫找到了自己在化学领域进行研究的主攻方向。
1861年初，门捷列夫结束了在德国的研究生活后，回到彼得堡大学，继续讲授有机化学课程。
门捷列夫在刚刚开始讲授有机化学课程时，就觉得彼得堡大学所使用的教材不但陈旧，而且有些内容还故弄玄虚，使学生很难理解和接受。于是，他感到有必要编写一部既能够深入浅出，条理清楚，学生易于接受，又能够把世界上最新的化学理论成就都纳入其中的教科书。
在编写这部《有机化学》教科书时，门捷列夫给自己明确了基本任务：不仅要写某些有机化合物，而且还要指出这些化合物如何由不太复杂而形成较为复杂的，它们彼此之间是如何发生反应的。同时，门捷列夫还确定了说明有机化学所积累的广泛资料的新原则：“自然化学统一的基础，应该是它们在产生和化学性质方面的相互联系，而不是一种或两种物理属性……”
为了尽快写出这部《有机化学》教科书，门捷列夫夜以继日地工作在高大的写字台上。在那些日子里，只要是没有课，他总是从清早起来，一直工作到午后5点多钟，6点钟吃“中饭”，饭后又经常工作到深夜。在这种拼命的工作中，门捷列夫仅仅用了两个月的时间便写出了《有机化学》教科书，这是俄国第一部用俄文写出的《有机化学》教科书。门捷列夫的《有机化学》教科书受到了国内外同行的普遍赞扬。在著名化学家齐宁的推荐下，《有机化学》这部书还获得了俄罗斯科学院的季米多夫奖金。
《有机化学》出版后，门捷列夫的声望大大提高，他除了在彼得堡大学任教外，还同时在其他几所大学讲课。门捷列夫无论走到哪里，他的讲课都备受学生们的欢迎。
俄罗斯科学院的拜柯夫院士在回忆门捷列夫讲课的情景时，激动地说：“当门捷列夫一出现在门口时，欢迎、欢呼和掌声，像春雷般震天撼地。这简直是一场暴雨，是一阵狂风。全体同学都在高声欢呼，大家都欣喜若狂，每一个人都尽情地表达出自己的乐观情绪、自己的颂扬和热忱……只要是看到当时欢迎门捷列夫的这种热烈的场面，就会体会到他是一位伟大科学家和伟大人物。他令人神往地影响了所有的人，并吸引住了所有接触过他的人的智慧和良心。”
门捷列夫博学多才。他在讲课中经常涉及力学、物理学、天文学、天体物理学、宇宙起源论、气象学、地质学、动物植物学、生理学和农业学的各个方面，同时也涉及各个技术部门，包括航空和炮兵学。他的讲课既风趣生动，又深刻和富有内容，不仅在俄罗斯大学的讲坛上是首屈一指的，就是在当时的欧洲，门捷列夫也可以称之为佼佼者。
门捷列夫的学生文贝尔在回忆他的老师门捷列夫时，曾经这样说过：“凡是能够有令人羡慕的机会看见站在讲台上的门捷列夫，听过他讲课或报告的人，都清楚地记得当时听众那种异乎寻常的情绪。讲台上站着一个魁伟的、稍微驼背、留着长须和长卷发的人，他的声音低而有力，言辞充满着热情，非常激动……门捷列夫在讲课中所用的适当的字眼，总是人们所意想不到的，精确简明的借喻字眼……他那贯串着包罗万象的公式和深奥类比的那种科学观点的哲学基础令人心驰神往……”
还有的学生在回忆门捷列夫时说：“过去学化学，总觉得有许多需要记忆的零碎的事实，真叫人难以接受。自从听了门捷列夫的讲课后，才开始认识到化学是一门生动而丰富的科学，是那样的引人入胜。”
从学生们的评价中，不难看出，门捷列夫不仅仅是一位伟大的科学家，同时，他也是一位杰出的教育家，正因为如此，他才会在大学生中间享有崇高的威望并深受他们的爱戴。
门捷列夫在化学工业方面，也有突出的贡献。1864年，门捷列夫受聘做了彼得堡工艺大学兼课教师，从那时起，他领导了彼得堡工艺大学的工艺化学教研室。门捷列夫最出色的天才特性，就是善于在各个甚至最抽象的科学课题中，找到生动的实践种子。这一点，在他所著的有关俄罗斯石油工业发展的著作中突出地体现着。其实，门捷列夫早在开始科学研究工作的时候就已经注意研究工艺问题了，他曾在一篇论文中写道：“我在母亲所经营的，并以此来养活她身边的孩子的玻璃工厂附近长大，从幼年起，就看到了工厂的工作，很清楚地知道工厂是人民的养育者。甚至在西伯利亚辽阔的原野上也是如此。因此我献身于像化学这样既抽象又实际的科学，我从小就对工厂企业感兴趣。”
门捷列夫一直关心着祖国石油工业的发展，他除了自己著书外，还主持翻译了德文版的《工艺学手册》，然而，他的关于石油开采和加工分开等许多先进思想，俄国沙皇政府却一直没有理睬，只有在十月革命后的苏联社会主义制度下才得以实现。
门捷列夫在开展紧张的教学和科研工作的同时，还十分注意同外界的广泛交往。他把俄罗斯著名的化学家布特列罗夫从喀山请到彼得堡大学担任有机化学讲座，又坚持把著名科学家明舒特金和其他几名著名科学家请到彼得堡大学担任分析化学讲座。正是在门捷列夫和他的同事们坚持不懈的努力下，彼得堡大学才成为当时俄罗斯最巨大的科学研究中心。
1865年初，彼得堡大学授予门捷列夫博士学位，几个月后，年仅31岁的门捷列夫又被任命为彼得堡大学的化学教授。
门捷列夫并没有陶醉在鲜花和美酒之中，他在冷静地思索着，他终于把下一个主攻方向对准了另一个堡垒。他知道，那个堡垒很坚固，攻起来相当困难，甚至也有可能会失败。但是，目标一经确定，他就会坚定地走下去，这就是他——门捷列夫的性格。他在积极地准备着，他要去打一场攻坚战，他坚信，只要攻下这座堡垒，那么，展现在人们眼前的，就会是一片崭新的天地……
