Родился 8 февраля 1834 г. (27 января 1834 г. по старому стилю) в гор. Тобольске (Тобольская губерния Российской империи, ныне в Тюменской области РФ). Отец Иван Павлович Менделеев (1783-1847) был педагогом, директором Тобольской гимназии и училищ Тобольского округа, дослужился до чина надворного советника, дававшего потомственное дворянство. Мать Мария Дмитриевна вела домашнее хозяйство.

Образование, ученые степени
В 1855 г. Дмитрий Менделеев окончил отделение естественных наук физико-математического факультета Главного педагогического института (Санкт-Петербург). Обучался под руководством химика Александра Вознесенского (1809-1880), подготовку по высшей математике получил у академика Михаила Остроградского (1801-1861), по физике - у академика Эмилия Ленца (1804-1865).
После выпуска из института был назначен на должность старшего учителя в гимназии в Симферополе, вскоре перевелся в Одессу, где работал старшим учителем естественных наук в гимназии при Ришельёвском лицее (в дальнейшем это учебное заведение было преобразовано в Новороссийский университет).
В 1856 г. Дмитрий Менделеев защитил в Санкт-Петербургском университете (ныне Санкт-Петербургский государственный университет) магистерскую диссертацию по теме "Удельные объемы". С 1857 г. как приват-доцент читал в этом университете курс органической химии.
С 1859 по 1861 г. находился в научной командировке в Гейдельбергском университете (Германия). Работал как в собственной домашней лаборатории, так и у немецких химиков Роберта Бунзена (1811-1899) и Густава Кирхова (1824-1887).
В 1864 г. Дмитрий Менделеев стал доцентом Санкт-Петербургского университета.
В 1865 г. защитил докторскую диссертацию по теме "О соединении спирта с водой". Существует популярное заблуждение, что это исследование якобы привело к изобретению водки, однако рецептура спиртного напитка в труде отсутствует. Фактически это была первая работа в цикле, посвященном физикохимии растворов: этой темой Дмитрий Менделеев занимался до конца 1880-х гг.
В том же 1865 г. году был утвержден ординарным профессором Санкт-Петербургского университета по кафедре технической химии. В 1867 г. занял кафедру неорганической (общей) химии.
В 1864-1872 гг. также являлся профессором Санкт-Петербургского технологического института (ныне Санкт-Петербургский государственный технологический институт - технический университет).
В 1876 г. был избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук, однако в 1880 г. кандидатура Дмитрия Менделеева в действительные академики была отвергнута.
В 1890 г. Дмитрий Менделеев выступил в защиту студентов Санкт-Петербургского университета, арестованных за беспорядки, чем вызвал недовольство министра народного просвещения Ивана Делянова. Вследствие конфликта с ним Михаил Менделеев покинул вуз.
В 1890-1895 гг. занимал пост консультанта научно-технической лаборатории Морского министерства Российской империи. С 1892 г. являлся ученым-хранителем Депо образцовых гирь и весов. В 1893 г. это учреждение по инициативе Менделеева было преобразовано в Главную палату мер и весов (ныне Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева, Санкт-Петербург). Работал управляющим палатой в 1893-1907 гг.

Научная деятельность
Дмитрий Менделеев - автор более 500 печатных трудов, включающих в себя фундаментальные работы по общей, органической и физической химии, химической технологии, физике, метрологии, метеорологии, воздухоплаванию, сельскому хозяйству, вопросам экономики, народного просвещения и др. В 1854-1856 гг. Менделеев занимался исследованиями изоморфизма (свойство одних частиц замещать другие частицы в кристаллах) и удельных объемов. В 1860-1861 гг. изучал зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры (открыл критическую температуру - "температуру абсолютного кипения" жидкостей). В 1860 г. опубликовал первый российский учебник по органической химии, в 1871 г. - классический труд "Основы химии". В ходе работы над этим учебником Дмитрий Менделеев открыл периодический закон химических элементов. В марте 1869 г. составил периодическую таблицу химических элементов, выражавшую периодический закон. В 1870-1871 гг. вносил изменения в первоначальную периодическую систему. На основе системы исправил общепринятые атомные массы ряда элементов (бериллий, индий, уран и др.) и сделал предположение о существовании неизвестных элементов, предсказав часть их свойств. После открытия предсказанных Менделеевым "экаалюминия" (галлий, 1875), "экабора" (скандий, 1879) и "экасилиция" (германий, 1886) периодический закон получил всеобщее признание в качестве одной из основ теоретической химии. В дальнейшем Дмитрий Менделеев и британский химик Уильям Рамзай (1852-1916) включили в таблицу нулевую группу элементов, куда вошли инертные газы.
В 1870-х гг. Менделеев исследовал упругость газов и предложил новый вывод обобщенного уравнения состояния идеального газа (уравнение Клайперона - Менделеева, 1874). Занимался вопросами переработки нефти, предложил принцип дробной перегонки. Настаивал на использовании нефти как сырья для химической промышленности, а не только в качестве топлива. В 1870-1880-х гг. проводил исследования по метеорологии, сконструировал чувствительный дифференциальный барометр (высотомер). В 1887 г. для научных наблюдений совершил полет на воздушном шаре.
В 1890-х гг. разработал точную теорию весов, усовершенствовал конструкции коромысла и арретира. Под руководством Дмитрия Менделеева были обновлены эталоны фунта и аршина, с 1899 г. по настоянию ученого в Российской империи была факультативно допущена к использованию метрическая система мер. Менделеев участвовал в разработке проекта нового таможенного тарифа. В публикациях по вопросам экономики отстаивал протекционистские позиции, обосновывал необходимость промышленной самостоятельности России, освоения Северного морского пути и др.
Дмитрий Менделеев подготовил ряд учителей и профессоров, был одним из основателей Русского химического общества (с 1878 г. - Русское физико-химическое общество, которое ученый возглавлял в качестве президента в 1883-1884, 1891-1892 и 1894 гг.).
Был членом и почетным членом многих академий наук и научных обществ, включая Лондонское королевское общество (с 1892 г.), Национальной академии наук США (1903). Почетный профессор многочисленных университетов.
Кончина
Дмитрий Менделеев умер 2 февраля (20 января по старому стилю) 1907 г. в Санкт-Петербурге на 73-м году жизни. Похоронен на петербургском Волковском кладбище.
Награды и признание
Дмитрий Менделеев был отмечен российскими орденами Святого Александра Невского, Святого Владимира I степени, французским орденом Почетного легиона, многими другими наградами, включая Золотую медаль Дэви (1882) и медаль Копли (1905) Лондонского королевского общества, медаль Фарадея (1889) Лондонского химического общества и др.
В честь Дмитрия Менделеева назван элемент 101 (менделеевий) и минерал менделеевит. Имя ученого носят Российское химическое общество (Москва), Российский химико-технологический университет (Москва), Всероссийский НИИ метрологии (Санкт-Петербург), Тобольский государственный педагогический институт, подводный хребет в Северном Ледовитом океане, вулкан, населенные пункты, географические объекты и др. В 1965 г. в СССР были учреждены премия и Золотая медаль имени Д. И. Менделеева - ныне они присуждаются за лучшие работы по химии и химической технологии Российской академией наук и Российским химическим обществом.
С 1907 г. в память ученого проводятся Менделеевские съезды по общей и прикладной химии (XXII съезд состоится в октябре 2024 г. в Сочи), с 1941 г. ежегодно проводятся Менделеевские чтения (Ленинград, ныне Санкт-Петербург). С 1911 г. в Санкт-Петербургском государственном университете работает Музей-архив Д. И. Менделеева.
В 2024 г. в Тобольске проходят "Год Менделеева" и фестиваль "Менделеевские дни", посвященные 190-летию со дня рождения ученого.