Nel 1868 pubblicò la prima edizione del manuale "Principi di chimica". Nel 1869 lo scienziato scoprì che gli elementi, disposti in ordine crescente in base alle grandezze dei loro pesi atomici, hanno proprietà periodiche e completò la tabella che divenne il prototipo del sistema periodico degli elementi (tavola periodica degli elementi). In quel periodo si occupò della struttura del sistema degli elementi, giungendo a prevedere l’esistenza e le proprietà di alcuni elementi ancora sconosciuti. Nel 1871 definì per la prima volta "periodico" il sistema degli elementi e descrisse i principali aspetti della sua teoria nel libro "La legge della periodicità degli elementi chimici". L’unico errore che fece Mendeleev è stato di ritenere che la periodicità fosse funzione del peso atomico, mentre è funzione del numero atomico; tuttavia la struttura del sistema degli elementi dello scienziato non differisce molto da quello moderno. Nello stesso anno, l’interesse a spiegare le cause profonde della periodicità lo indusse a occuparsi dello studio dei gas, in particolare attraverso lo studio dell’ipotetico elemento (etere universale) che precede l’idrogeno nella tavola degli elementi. Nel 1874 dalle tre leggi sui gas ideali (Boyle e Mariotte, Gay Lussac e Avogadro) Mendeleev ricavò l’equazione con la quale si può determinare il peso dei gas in qualsiasi condizione.

Negli anni 1883-1887 studiò la natura delle soluzioni e, nel 1887, riassunse i principi fondamentali della teoria delle soluzioni nel saggio "Studio delle soluzioni acquose secondo il peso specifico". Nel 1906 uscì l’ottava edizione del suo manuale, "Principi di chimica", che fu tradotta in tre lingue (francese, inglese e tedesco) e svolse un'importante funzione nella formazione scientifica dei chimici di varie generazioni. Mendeleev, inoltre, sosteneva instancabilmente la funzione fondamentale che il progresso della ricerca scientifica esercita sullo sviluppo dell’economia e sulla cultura e nel 1906 scrisse il suo ultimo libro "Per la conoscenza della Russia", nel quale trattò i principali problemi dell’economia e della cultura del suo paese. Già precedentemente, negli anni 1870-1880, aveva manifestato il suo interesse per l’economia, dedicandosi con impegno allo sviluppo dell’industria petrolifera e carbonifera della Russia e aveva scritto un libro sull’argomento, "L’industria petrolifera in Pennsilvania e nel Caucaso", pubblicato nel 1876. I suoi lavori (460 pubblicazioni) su argomenti di vario genere furono apprezzati in tutto il mondo. Tuttavia non gli fu riconosciuto in patria il prestigio che meritava (soprattutto per motivi di carattere politico); nel 1880, per esempio, non fu accettato nell'Accademia delle scienze di San Pietroburgo come membro della Sezione di fisica-matematica. Nel 1907 Mendeleev morì a San Pietroburgo