Dimitri Mendeleev s-a nascut in Tobolsk, Siberia, ultimul dintre cei 14 copii ai lui Ivan Pavlovici Mendeleev si al Mariei Mendeleeva.La 14 ani, dupa moartea tatalui sau, Mendeleev a urmat gimnaziul in Tobolsk.
In 1849, familia Mendeleev, al carui statut social si situatie materiala decazusera considerabil din cauza mortii tatalui, se muta la Sankt Petersburg unde tanarul de numai 16 ani intra la Institutul Pedagogic din Sankt Petersburg. Dupa terminarea acestuia, in 1855, este diagnosticat cu tuberculoza, ceea ce determina mutarea sa in Peninsula Crimeea, intr-o zona recunoscuta pentru valentele terapeutice ale aerului sau sarat, esential in tratamentul tuberculozei. Acolo, preda stiinte la gimnaziul local pentru un an. Dupa completa sa insanatosire, se reintoarce total refacut la Sankt Petersburg (in 1856).
Intre 1859 si 1861 a facut cercetari asupra densitatii gazelor la Paris, si, mai apoi, a lucrat cu chimistul si fizicianul german Gustav Robert Kirchhoff in Heidelberg, facand cercetari. In 1863, dupa intoarcerea in Rusia, a devenit profesor de chimie la "Istitutul Tehnologic" si la "Universitatea de Stat" din Sant Petersburg.
In ciuda faptului ca Mendeleev a fost o personalitate marcanta stiintifica a timpului sau, onorat de foarte multe organizatii stiintifice din intreaga Europa, acasa, in Rusia, a fost privit cu ingrijorare, ceea ce a dus la demisia sa de la catedra Universitatii din Sankt Petersburg in ziua de 17 august 1890.
In ultimii sai ani de activitate profesionala, a creat patentul clasic al vodcai rusesti, 40% procent alcool. Dar printre contributiile sale tarzii mult mai importante se numara si studierea campurile petrolifere din Rusia si contributia sa semnificativa la crearea primelor rafinarii rusesti.
A murit de gripa, la 73 de ani, la Sankt Petersburg.
Elementul chimic numarul 101 ii poarta numele: mendeleeviu. Un crater de pe luna ii poarta numele.