門捷列夫在研究同晶現象時，曾努力想獲得關於同晶物質的各原子中間相互聯係的概念，他正確地認識到研究這些聯係就是研究化學的主要任務之一。
雖然，在這裏提出有些過早，但是必須指出門捷列夫這部最初的科學著作的一個重要特點。在這位青年科學家所注意的現象（同晶現象）中，可以清楚地看到各種元素原子的相同之點。後來門捷列夫稱這種同晶現象為可以自然地使各種元素分組的重要屬性之一。
緊張的工作影響了門捷列夫的健康。早在1853年1月，他已患了嚴重的喉頭出血症，大家開始擔心他的生命。雖然門捷列夫被醫生作為瀕死的病人來看護，可是他不屈不撓的剛毅精神、堅強的意誌和罕有的勞動熱情，使大家都很驚訝。在附屬醫院裏，他一天也沒停止過頑強的研究工作。他所完成的科學著作獲得了高度的評價。他非常珍惜沃斯科列森斯基教授在科學上的幫助和友誼，在教授的領導下，門捷列夫已進行了某些研究工作。
1855年，門捷列夫光榮地在師範學院畢業了，畢業考試成績名列第一，榮獲了金質獎章。全體參加考試的人都向沃斯科列森斯基教授和他的天才學生熱烈祝賀。很多有遠見的人，在昨天還是一個學生的門捷列夫身上，已明顯地看出這個年輕人所具有的未來天才研究家的特點。這種看法的根據，就是門捷列夫最初的一些科學研究工作，其成果就是這位青年科學家所作的畢業論文——《論同晶現象與結晶形狀及其組成的其他關係》。這篇著作曾於1856年刊登在《礦業雜誌》上，並在同年出版了單行本。
青年時代
師範學院畢業以後，他很快在一所曆史悠久的學校，裏西爾耶夫學術研究會附屬的敖德薩第一中學取得了教師的職位。年輕的科學家感覺到自己充滿了新生力量。他懷著愉快的心情開始在大學的實驗室與圖書館裏加緊研究，準備題為《論比容》的碩士論文。
因為門捷列夫非常熱情和緊張地工作，所以他在極短的時間內（共一個月）就完成了他的《論比容》著作。這篇著作也就是他準備用以考取碩士學位的論文。
1856年5月，門捷列夫在彼得堡參加碩士考試。這次又得到了輝煌的勝利。他在所有的考試科目中都獲得了最高的評價。
門捷列夫提出了“論比容”的研究，作為他的碩士論文。國民教育部關於這件事的官方消息報道說：“9月9日，星期日下午1時，在彼得堡大學，前師範學院學生，現任敖德薩中學自然科學主任教師門捷列夫提出了自己所寫的‘論比容’及其原理的論文。作者的研究論文及其最後所提出的原理得到了一致的讚同，因為比容使人有可能根據固體的體積來區別取代現象和化合現象，並指出了根據比容進行化學化合物的自然分組的途徑。”
這篇報道的不知名的作者有遠見地強調指出了門捷列夫的研究對於今後發現周期律有關工作的重要意義。
這位偉大的科學家後來曾不止一次地強調指出他最初的研究工作對於發現周期律的意義。他說道：“要知道，同晶現象也就是各種不同的物質形成同樣結晶形狀的能力，是同族化學元素的一種典型屬性。比容，即密度的倒數，也是一樣，它正像我後來所觀察到的一樣，是當單質的原子量增加時，單質周期性和重複性的最鮮明例證之一。”
彼得堡大學校委會一致同意授予門捷列夫物理和化學碩士學位。
1856年10月，門捷列夫又答辯通過了第二篇論文《論含矽化合物的結構》，這是為獲取講師席位和在大學授課的資格所必須做的，在這篇論文裏他利用了小時候在母親經營的玻璃工廠中獲得的知識，使製造玻璃的許多方法有了科學的理論依據。
1857年1月，23歲的門捷列夫被批準為彼得堡大學化學教研室的副教授，開始講授化學課程。
盡管教學和組織工作很繁忙（門捷列夫被選為係秘書），但是這位科學家仍然在大學的實驗室裏繼續他的研究工作。他把這些研究成果，寫成論文在國內外的雜誌上發表。
門捷列夫的實驗室設在彼得堡大學的校舍裏，是兩間用石頭鋪地並擺設有空櫥櫃的小房間。實驗室裏沒有排氣和通風設備，以致在試驗時人不能長時間停留在屋裏。這位化學家不管是冷天，還是下雨天都必須經常到外麵去呼吸新鮮空氣。至於實驗室的設備則簡陋的更不像樣子。當時在全彼得堡都沒有試管賣，甚至就連橡皮管（當時叫接管）都必須自己親手製造。實驗室的經費少得可憐。當時在化學家中間流行這樣的一句俗話：“實驗室越簡陋，實驗研究越優良。”這樣的實驗條件要想進行巨大的科學研究是太難了。