Учёный является автором фундаментальных исследований по физике, химии, метеорологии, метрологии, экономике, основополагающих трудов по сельскому хозяйству, воздухоплаванию, народному просвещению, химической технологии и других работ, связанных с потребностями производительных сил России.

В 1854-1856 годах исследовал явления изоморфизма, описывающий отношения между химическим составом соединений и их кристаллической формой, а также зависимость элементарных свойств от величины атомных объёмов.

В 1860 году учёный открыл критическую температуру или температуру абсолютного кипения жидкостей.

Дмитрий Менделеев автор первого русского учебника Органическая химия 1861 год.

В 1859 году он сконструировал прибор для определения плотности жидкости – пикнометр.

Д Менделеев исследовал газы и в 1874 году нашёл общее уравнение состояния идеального газа.

Учёный выдвинул гипотезу в 1877 году о происхождении из карбидов тяжёлых металлов нефти. На сегодняшний день она не воспринимается большинством учёных. Д Менделеев предложил при переработке нефти принцип дробной перегонки её.

В 1880 году им была выдвинута идея подземной газификации углей.

Он работал над вопросами химизации сельского хозяйства, пропогандировал применение минеральных удобрений, орошение земель.

В 1890-1892 годах учёный вместе с И Чельцовым принимал участие в лабораторной разработке бездымного пороха.

Он автор ряда работ по метрологии, предложил точнейшие приёмы взвешивания, разработал наилучшую конструкцию коромысла и арретира, создал точную теорию весов.

В некоторые годы интерес Дмитрия Менделеева был близок к минералогии. И сейчас в Музее кафедры минералогии Санкт-Петербургского университета бережно хранится его коллекция минералов. С его стола друза горного хрусталя является лучшим экспонатом в витрине кварца. Рисунок друзы помещён им в первое издание Общей химии 1903 год.

Ещё студентом Дмитрий Менделеев выполнил работу по изоморфизму в минералах.

Путь Дмитрия Менделеева в науке начался именно с наблюдения процессов стеклоделия. Может быть, этот факт сыграл решающую роль в выборе, ведь действительно, эта тема напрямую связана с химией силикатов и закономерно соприкасается с его изысканиями в той или иной форме.

При изучении стекла Дмитрий Менделеев глубже смог понять природу соединений кремния и на этом веществе он смог разглядеть важные особенности химического соединения вообще.

Темам химии силикатов, стеклоделия, и стеклообразного состояния Дмитрий Менделеев посвятил около 30 своих работ.