母親的心血沒有白費，中央師範學院有兩個重要的有利條件，對日後門捷列夫的科學事業起著重要的作用。
一是師資條件好。當時在學院教書的不少是著名的專家學者。加上學院裏學生不多，院士、教授們一人隻教四五個大學生，最多也隻有10個，因此能對每個學生因材施教，進行過細培養。
卓越的化學家和教育家亞曆山大·阿伯拉莫維奇·沃斯科列森斯基教授對於這位未來科學家的培養有極大的影響。沃斯科列森斯基教授曾經培養出大批出色的俄羅斯化學家。他的學生門捷列夫、別凱托夫、索科洛夫和其他許多學生都崇敬地稱他為“俄羅斯化學之祖”。沃斯科列森斯基一方麵進行創造性的化學工作，另一方麵還分出大部分時間來培養青年一代。他有一種高尚的品質，善於觀察學生的天賦特點，並以偉大教育家的耐心和熱忱來發揚這些特點。他非常重視學生的活潑創造思想，他極力鼓舞學生的獨立精神，教導他們大膽地去思考並克服前進道路上的一切障礙。後來門捷列夫在這位老師的傳記中曾這樣寫過：“別人談論的往往是科學事業中的巨大困難，然而在實驗室裏沃斯科列森斯基教授常常教導我們說‘餡餅不是從天上掉下來的’。”
沃斯科列森斯基教授以特別的方法和技巧來培養門捷列夫在化學方麵進行獨立科學研究工作的興趣。門捷列夫寫道：“我是沃斯科列森斯基的學生，我很清楚地記得，他在講課時的那種真實淳樸的誘導力和經常督促大家獨立研究科學資料的精神，他用這些方法吸收了許多新生力量參加化學研究工作。”
從一年級起，門捷列夫就迷上了化學。這不僅因為化學能幫助人們正確認識自然界，而且還因為他發現化學能實現他從小就懷著的理想：為了人類的利益而獲得簡單、廉價和“到處都有”的物質。門捷列夫決心要成為一個化學家。
米哈依爾·瓦西裏葉維奇·奧斯特羅格拉德斯基和斯捷潘·謝妙諾維奇·庫托爾格等教授對門捷列夫也有極大的影響。門捷列夫在奧斯特羅格拉德斯基教授的影響下，對力學和數學發生了興趣並深入地研究了這兩門學科。
二是學院裏各係學生間密切交往，經常熱烈爭論有關科學、哲學、社會政治生活的問題，這對他們擴大視野、磨煉思想起了巨大作用。門捷列夫後來寫到：“別的專業的同學們對學生整個發展的影響，幾乎不小於教授。當我在中央師範學院自然科學係學習時，我與同學們毗鄰而居，其中不僅有與我聽一二年級一般學科的數學係同學，而且也有外係學哲學、曆史和經濟學的同學，我永遠也不會忘記那些不同意見的爭論，這種爭論經常發生，大大有利於磨煉我們大家。”
門捷列夫大學畢業一年後寫道：“如果我能再入這個大學，我將多麼高興嗬！在那裏我第一次嚐試到勞動成果的甜美。”
進入中央師範學院不久，門捷列夫失去了一位最好的老師——他的母親。1850年9月20日門捷列夫伏在母親的遺體上失聲痛哭。他不能相信一切都已完結。難道他的母親，一個性格如此堅強和充滿無窮活力的人，竟會被死亡戰勝？她為這個大家庭操勞了一輩子，17個孩子給她帶來了歡樂，也帶來了痛苦。但是，她總是盡力地照顧到每個孩子：愛撫或是責備。
門捷列夫永遠崇敬地懷念著母親。他終生不忘母親的形象。門捷列夫在1887年所著《水溶液比重之研究》的序言中寫了這樣幾行意味深長而動人的話：“這部作品是作為最小的孩子紀念自己的慈母而寫的。隻有慈母以自己的辛勤勞動經營工廠才能使兒子長大成人，她以身作則來教育兒子並以慈愛來糾正兒子的錯誤！她為了使兒子獻身科學，毅然離開了西伯利亞，並不惜傾其所有，竭盡全力。臨終遺囑說：‘不要欺騙自己，要辛勤地勞動，而不是花言巧語，要耐心地尋求真正的科學真理。’因為她知道，人們應該知道更多的東西，並借助於科學的幫助，不是強迫，而是自願地去消滅成見和錯誤，而且可以做到：捍衛已經獲得的真理，進一步發展自由，共享幸福和內心的愉快。”門捷列夫認為母親的遺訓就是神聖的信條。
母親的離去對他打擊很大，但是，他為了不辜負母親的心願，勤奮學習，二年級他就成了學院的優等生。
他對講授的各門功課，學得紮實，領會深刻，還參考了各種科學文獻。
教師們很快發現他具有非凡的才能。
門捷列夫的第一篇科學論著是《關於芬蘭褐簾石和輝石的分析》，發表在礦物學協會的刊物上。1854年年僅20歲的門捷列夫在研究同晶現象方麵完成了巨大和重要的研究工作。把一種同晶物質中的晶體浸入另一種物質的飽和溶液中，可以看出，浸入液體中的晶體又在表麵上生長出由溶解了的同晶物質的原子所構成的新層。門捷列夫在師範學院實驗室中培育了各種極不相同的物質的同類結晶體，而用各種天然礦物標本研究了同晶現象。他以極其濃厚的興趣觀察到同晶物質怎樣由溶液中結晶而出，成為同類構造的混合結晶體。