1861年门捷列夫回国后，马不停蹄，紧锣密鼓地开展工作。他先是编写了第一本用俄文出版的《有机化学》教科书，广获好评。接着，他又于1865年顺利通过博士论文答辩，取得博士学位。同年秋，门捷列夫被评为教授。他的博士论文《论酒精与水的化合物》，极大地促进了近代溶液理论的建立。
随后，门捷列夫经过艰苦卓绝的努力，在探索元素周期律方面取得举世瞩目的成功，他也因此跻身世界一流科学家的行列。尽管功成名就，但热爱奔跑的门捷列夫仍不知疲惫地再接再厉，在理想气态方程的研究上大步前进，将同时代的化学家远远地抛在后面。
1907年2月2日清晨，门捷列夫手中握着写字的笔，在书桌前永远睡着了。这位化学史上历尽沧桑的风云人物虽然奔跑到了人生的终点，但他工作到生命最后一息的精神将永远激励着后人。
探索元素周期律
1860年9月，门捷列夫参加了一次化学国际会议。会上意大利的坎尼札罗举出充分的证据证明水的分子式应为H20，其中氧的原子量为16，碳的原子量为12。门捷列夫很快领悟到了坎尼札罗观点的正确性，并开始特别关注元素的原子量。1868年，门捷列夫开始在彼得堡大学教授无机化学，但他翻遍了当时所有的无机化学课本，却不到一本合适的教材，于是决心自己动手编写一本新的能够反映现代化学发展水平的教科书。谁也没有想到这两件事竟成了门捷列夫探索元素周期律的缘起。
写书的愿望时时激励着门捷列夫，他通常是早上4点钟就起床写作，一直工作到深夜。为了写好这本书，他仔细地研究了人类当时所发现的63种元素。一方面，还有28种元素尚未发现；另一方面，已发现的63种元素中有11种的原子量测定得很不准确。正是这两个原因，门捷列夫遇到了极大的困难。
“创造”是科学的生命，门捷列夫深深地明白这一点。他大胆创造，独辟蹊径，想出了用卡片的好办法。他首先像德贝莱纳那样，把卡片分成三个一组，可结果并不理想。接着他又把卡片排成一横行，还是没有理想的结果。他排呀、摆呀，把金属元素排在一起，不行，把非金属元素排在一起也不行!简单地横摆不行，纵排也不行!究竟怎样排列才好呢?门捷列夫一边摆着，一边思索着。后来就像前文所描述的那样，他灵机一动，按照原子量递增的顺序，把所有的元素排成几行，再把各行中性质相对的元素上下相对起来。
对尚未发现和测得不准的元素。门捷列夫敢于突破陈规，运用修正原子量和未知元素空位这两种别具一格的科学方法，使各种兀素之间的联系终于清楚地表现出来了。他惊喜地看到：元素排成了纵横交错的行列，每一纵行，元素的性质随着原子量的增加从上到下逐渐变化，每一横行，元素都随着原子量的增大而呈现出有规律的变化。门捷列夫高兴极了，他坚信自己已发现了自然界中最伟大的规律，他兴奋得难以人眠，自言自语地说：“完全清楚了，元素的性质与它们的原子量是周期性的关系。”
门捷列夫把这个伟大的发现用德文发表在《化学年鉴》上，但是这非但没有引起他所预料的巨大反响，反而招来了好几篇反对文章。它们认为周期表只是根据形式主义的原则而编制的，只是为了便于研究而根据它们的性质相似性分了一下类而已。然而门捷列夫对自己的发现坚信不疑：鉴于有些元素的性质之间跳跃性很大，他大胆地预言了一些尚未发现的元素，并为它们留下空位。他在金属锌和非金属砷之间留下两个空位，分别把这两种未发现的元素命名为类铝和类硅，在钙和钛之间留下一个空位，命名为类硼。科学理论要靠实践来证明，它的预言，它的真理性，都要等待历史的考验。但是，科学发现需要时间，幸运的是，门捷列夫预言的三种元素，在他活着的时候一一被发现了。事实证明了元素周期律的科学性。
1875年9月，法国化学家勒科克•布瓦博德朗宣布发现了一种原子量为59．72、比重为4．7的新元素镓。门捷列夫得知后，立刻给他写了封快信：“镓就是我预言的类铝。它的原子量约为68，比重约为5．9～6．0，请你们再研究研究。”这件事在当时人们看来，宛如天方夜谭，令人难以置信。全世界的科学家都拭目以待，关注着这场争论孰胜孰负：是独一无二手中握有镓而且进行过精确测验的布瓦博德朗呢?还是坐在彼得堡大学自己的书房里依据那张图表做大胆预言的门捷列夫?布瓦博德朗到底是一位有着高度负责精神的科学家，他没有固执己见，而是把镓提纯后再测。果然，镓的比重为5．94一给门捷列夫说了个正着。布瓦博德朗激动异常，在一篇新的论文中心悦诚服地写道：“我以为没有必要再来说明门捷列夫先生这一理论的巨大意义了!”
一石激起千层浪。这件事情在科学界引起了强烈的反响。欧洲的数十个实验室都在紧张地工作，千百个科学家渴望获得这些不寻常的新元素。
