Po wyzdrowieniu wrócił w 1857 do Petersburga.
W okresie 1859–1861 prowadził prace badawcze nad zjawiskiem podciągania kapilarnego i włoskowatości, a także badał zagadnienia spektroskopii na Uniwersytecie w Heidelbergu. Pod koniec sierpnia 1861 opublikował książkę o spektroskopii. 4 kwietnia 1862 za namową rodziny zaręczył się z Fieozwą Nikiticzną Leszczewą, z którą wstąpił w związek małżeński już 27 kwietnia w soborze św. Mikołaja w Petersburgu. Mieli dwoje dzieci: Władimira (żeglarz, członek słynnej podróży wschodniej carewicza Mikołaja) i Olgę, ale małżeństwo nie było szczęśliwe ze względu na zbyt wielką różnicę charakterów. Nieustanne kłótnie spowodowały, że wkrótce Dmitrij i Fieozwa znaleźli się w separacji i zamieszkali oddzielnie.
W 1863 Mendelejew objął stanowiska: profesora chemii w Petersburskim Instytucie Technicznym oraz docenta na Imperatorskim Uniwersytecie Petersburskim. Prowadzone przez niego wykłady z chemii teoretycznej i organicznej cieszyły się dużą popularnością wśród studentów.
Po doktoracie thumb|Dmitrij Mendelejew pędzla Ilji Riepina – portret w stroju akademickim thumb|Mendelejew w 1878, mal.