Πιστώνεται ως ο δημιουργός της πρώτης έκδοσης του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων. Με τη χρήση του πίνακα, προέβλεψε τις ιδιότητες των στοιχείων που θα ανακαλύπτονταν αργότερα. Ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ γεννήθηκε σ’ ένα χωριό κοντά στο Τομπόλσκ της Σιβηρίας στις 8 Φεβρουαρίου 1834, γιος των Εβραίων Ιβάν Πάβλοβιτς Μεντελέγιεφ και της Μαρία Ντμίτριεβνα Μεντελέεβα. Ο παππούς του, Πάβελ Μαξίμοβιτς Σοκολόβ, ήταν ιερέας της Ρωσικής Ορθόδοξης Εκκλησίας από το Τβερ. Ο Ιβάν μαζί με τους αδελφούς και τις αδελφές του έλαβαν νέα οικογενειακά ονόματα ενώ παρακολουθούσαν τη θεολογική σχολή.
Πιστεύεται ότι ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ ήταν ο μικρότερος από τα 11, 13, 14 ή 17 αδέλφια του (ο ακριβής αριθμός διαφέρει μεταξύ των πηγών). Ο πατέρας του ήταν καθηγητής καλών τεχνών, πολιτικής και φιλοσοφίας. Όμως τυφλώθηκε και έχασε τη θέση του, γεγονός που επηρέασε την οικονομική ευημερία της οικογένειας. Έτσι η μητέρα αναγκάστηκε να εργαστεί θέτοντας σε λειτουργία το εγκαταλελειμμένο οικογενειακό εργοστάσιο υαλουργίας. Σε ηλικία 13 ετών, μετά το θάνατο του πατέρα του και την καταστροφή του εργοστασίου της μητέρας του από πυρκαγιά, ο Μεντελέγιεφ φοίτησε στο γυμνάσιο του Τομπόλσκ.
Το 1849, η φτωχή πλέον οικογένεια Μεντελέγιεφ μετακόμισε στην Αγία Πετρούπολη, όπου ο Ντμίτρι μπήκε στο Κύριο Παιδαγωγικό Ινστιτούτο το 1850. Μετά την αποφοίτησή του, προσβλήθηκε από φυματίωση και αναγκάστηκε να μετακομίσει στη χερσόνησο Κριμαία, στη βόρεια ακτή της Μαύρης Θάλασσας το 1855. Πήρε δίπλωμα χημείας το 1856 και αργότερα έγινε καθηγητής επιστημών στο 1ο Γυμνάσιο της Συμφερόπολης. Με την υγεία του πλήρως αποκαταστημένη επέστρεψε στην Αγία Πετρούπολη το 1857.
Μεταξύ του 1859 και του 1861, εργάστηκε πάνω στα τριχοειδή φαινόμενα των υγρών και τη λειτουργία του φασματοσκοπίου στη Χαϊδελβέργη. Στα τέλη Αυγούστου του 1861 έγραψε το πρώτο του βιβλίο για το φασματοσκόπιο. Στις 4 Απριλίου 1862 αρραβωνιάστηκε την Feozva Nikitichna Leshcheva και στις 27 Απριλίου παντρεύτηκαν στην εκκλησία του Μηχανολογικού Ινστιτούτου Νικολάεβ στην Αγία Πετρούπολη, όπου και δίδαξε ο Μεντελέγιεφ.
Ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ έγινε καθηγητής χημείας στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Αγίας Πετρούπολης και στο Κρατικό Πανεπιστήμιο Αγίας Πετρούπολης το 1864 και το 1865 αντίστοιχα. Το 1865 έγινε διδάκτωρ επιστημών με τη διατριβή του “Ως προς τους Συνδυασμούς του Ύδατος με το Οινόπνευμα”. Έλαβε μόνιμη πανεπιστημιακή έδρα το 1867 και το 1871 μετέτρεψε την Αγία Πετρούπολη σε ένα διεθνώς αναγνωρισμένο κέντρο για την έρευνα στη χημεία. Το 1876 γνώρισε την Άννα Ιβάνοβα Πόποβα, την οποία και ερωτεύτηκε παράφορα και το 1881 τη ζήτησε σε γάμο απειλώντας την ότι θα αυτοκτονήσει αν εκείνη αρνηθεί. Το διαζύγιο από την πρώτη του σύζυγο οριστικοποιήθηκε το 1882, ένα μήνα αφότου είχε παντρευτεί την Πόποβα (στις 2 Απριλίου). Ακόμα και μετά το διαζύγιο, ο Μεντελέγιεφ θεωρούνταν τυπικά δίγαμος σύμφωνα με τους κανονισμούς της Ρωσικής Ορθόδοξης Εκκλησίας, που απαιτούσαν να περάσουν τουλάχιστον 7 έτη από ένα διαζύγιο πριν να μπορέσει κάποιος να ξαναπαντρευτεί. Το διαζύγιό του και ο σχετικός με αυτό σάλος συνέβαλε στο να μη γίνει δεκτός στη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών, παρά τη διεθνή φήμη του. Η κόρη του από το δεύτερο γάμο, Λιουμπόφ, έγινε σύζυγος του διάσημου Ρώσου ποιητή Αλέξανδρου Μπλοκ. Τα άλλα παιδιά του ήταν ο Βλαντιμίρ (ναυτικός, συμμετείχε στο ταξίδι του Νικόλαου Β’ στην Ανατολή) και η Όλγα, από τον πρώτο γάμο του, καθώς και ο Ιβάν και δύο δίδυμα από την Άννα.
Αν και ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ τιμήθηκε ευρέως από επιστημονικές οργανώσεις σε όλη την Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένου και του Μεταλλίου Κόπλεϊ από τη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου, παραιτήθηκε από το πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης στις 17 Αυγούστου του 1890.
Το 1893 διορίστηκε διευθυντής του Γραφείου Μέτρων και Σταθμών. Από τη θέση αυτή διατύπωσε τα νέα κρατικά πρότυπα για την παραγωγή βότκας. Η γοητεία του με τα μοριακά βάρη τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι για να είναι σε τέλεια μοριακή ισορροπία, η βότκα πρέπει να παραχθεί σε αναλογία ενός μορίου αιθυλικής αλκοόλης που αραιώνεται με δύο μόρια νερού, δίνοντας έτσι μια περιεκτικότητα κατά όγκο περίπου 38% οινοπνεύματος και 62% νερού. Ως αποτέλεσμα της εργασίας του, το 1894 εισήχθησαν στη ρωσική νομοθεσία τα νέα πρότυπα για τη βότκα, η οποία έπρεπε πλέον να παράγεται με περιεκτικότητα οινοπνεύματος 40% κατ’ όγκο.
O Ντμίτρι Μεντελέγιεφ ερεύνησε επίσης τη σύνθεση του πετρελαίου και βοήθησε στην ίδρυση του πρώτου διυλιστηρίου πετρελαίου στη Ρωσία. Αναγνώρισε τη σημασία του πετρελαίου ως πρώτη ύλη για τα πετροχημικά και πιστώνεται με την παρατήρηση ότι το να καίει κανείς το πετρέλαιο ως καύσιμο είναι σαν να ανάβει φωτιά σε μία κουζίνα με χαρτονομίσματα.
Το 1905, ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ εξελέγη μέλος της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών. Το επόμενο έτος η Επιτροπή του Νόμπελ Χημείας πρότεινε στη Σουηδική Ακαδημία να απονείμει το Βραβείο Νόμπελ Χημείας του 1906 στον Μεντελέγιεφ για τη δημιουργία του περιοδικού συστήματος. Το Χημικό Τμήμα της Σουηδικής Ακαδημίας υποστήριξε την πρόταση αυτή και στη συνέχεια η Ακαδημία έπρεπε να εγκρίνει την επιλογή της Επιτροπής, όπως έχει γίνει σχεδόν σε κάθε περίπτωση. Απροσδόκητα, κατά τη σύσκεψη της Ακαδημίας, ένα μέλος της Επιτροπής διαφώνησε με την επιλογή και υποστήριξε την υποψηφιότητα του Ανρί Μουασάν. Ο Σβάντε Αρρένιους, αν και δεν ήταν μέλος της Επιτροπής του Νόμπελ Χημείας, είχε μεγάλη επιρροή στην Ακαδημία και πίεσε επίσης για την απόρριψη του Ντμίτρι Μεντελέγιεφ, υποστηρίζοντας ότι το περιοδικό σύστημα ήταν πλέον πολύ παλιό για να αναγνωριστεί το 1906. Σύμφωνα με επιστήμονες της εποχής, ο Αρρένιους κινήθηκε από το μίσος που είχε για τον Μεντελέγιεφ επειδή εκείνος του άσκησε κριτική στη θεωρία για τηναντίδραση οξέος-βάσης. Μετά από έντονη λογομαχία, η πλειοψηφία της Ακαδημίας ψήφισε υπέρ του Μουασάν για το Νόμπελ Χημείας. Οι εκ νέου προσπάθειες να προταθεί ο Μεντελέγιεφ το 1907 συνάντησαν και πάλι την απόλυτη αντίθεση του Αρρένιους.
Το 1907 ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ πέθανε σε ηλικία 73 ετών από γρίπη. Ο κρατήρας Μεντελέγιεφ στη Σελήνη και το ραδιενεργό χημικό στοιχείο Μεντελέβιο, με ατομικό αριθμό 101, ονομάστηκαν έτσι προς τιμήν του.
Αριθμός Πιστοποίησης Μ.Η.Τ.232163