Dimitri I. Mendeleyev nasceu na cidade de Tobolsk na Sibéria. Era o filho caçula de uma família de 17 irmãos. Seu pai, diretor da escola de seu povoado, perdeu a visão no mesmo ano de seu nascimento. Como conseqüência perdeu seu trabalho.
Já que seu pai recebia uma pensão insuficiente sua mãe passou a dirigir uma fábrica de cristais fundada por seu avô. Na escola, desde cedo destacou-se em Ciências ( nem tanto em ortografia ). Um cunhado, exilado por motivos políticos e um químico da fábrica inspiraram sua paixão pela ciência. Depois da morte de seu pai um incêndio destruiu a fábrica de cristais. Sua mãe decidiu não reconstruir a fábrica mas sim investir suas economias na educação do filho.

Uma versão da tabela periódica de Mendeleev, da primeira edição inglesa do seu livro de texto (1891, baseada na 5.ª edição russa)
Nessa época todos os seus irmãos, exceto uma irmã, já viviam independentemente. Sua mãe então mudou-se com ambos para Moscou a fim de que ele ingressasse na universidade o que não conseguiu. Talvez devido ao clima político vivido pela Rússia naquele momento a universidade só admitia moscovitas. Interessou-se pela química graças ao prestigiado professor Alexander Voskresenki, que passou seus últimos anos de vida em uma enfermaria devido a um falso diagnóstico de tuberculose. Ainda assim graduou-se em 1855 como primeiro de sua classe.
Casa-se pela primeira vez, por pressão da irmã, em 1862 com Feozva Nikítichna Lescheva com a qual teve três filhos um dos quais faleceu. Esta foi uma união infeliz e, em 1871, separaram-se. Casou-se pela segunda vez em 1882 com Ana Ivánovna Popova 26 anos mais jovem. Tiveram quatro filhos. Teve de enfrentar a oposição da família de Ana e o facto de que Feozva negava-se a dar-lhe o divórcio.
Em 1869, enquanto escrevia seu livro de química inorgânica, Dimitri Ivanovich Mendeleev organizou os elementos na forma da tabela periódica actual. Ele criou uma carta para cada um dos 63 elementos conhecidos. Cada carta continha o símbolo do elemento, a massa atômica e as suas propriedades químicas e físicas. Colocando as cartas numa mesa, organizou-as em ordem crescente de massas atómicas, agrupando-as em elementos de propriedades semelhantes. Tinha então acabado de formar a tabela periódica.
Esta tabela de Mendeleev tinha algumas vantagens sobre outras tabelas ou teorias antes apresentadas, mostrando semelhanças numa rede de relações vertical, horizontal e diagonal. A classificação de Mendeleiev deixava ainda espaços vazios, prevendo a descoberta de novos elementos.

Monumento a tabela periódica na universidade de química e tecnologia de alimentos em Bratislava na Eslováquia.
A tabela de Mendeleev serviu de base para a elaboração da actual tabela periódica, que além de catalogar os 118 elementos conhecidos, fornece inúmeras informações sobre o comportamento de cada um.
Mendeleev ordenou os 60 elementos químicos conhecidos de sua época na ordem crescente de peso atômico de certa forma que em uma mesma vertical ficavam os elementos com propriedades químicas semelhantes, constituindo os grupos verticais, ou as chamadas famílias químicas. O trabalho de Mendeleev foi um trabalho audacioso e um exemplo espetacular de intuição científica.De todos os trabalhos apresentados que tiveram influência na tabela periódica o de Mendeleev teve maior perspicácia.
Ele foi um dos que defendeu a hipótese da origem inorgânica do petróleo.

O facto capital para se notar é que o petróleo nasceu nas profundezas da Terra, e é somente lá é que devemos procurar sua origem.

Viajou por toda a Europa visitando vários cientistas. Em 1902 foi a Paris e esteve no laboratório do casal Curie.
Faleceu em 1907 já praticamente cego.