1859年4月，門捷列夫被獲準去德國海德爾堡進行兩年的科學深造。
最初門捷列夫打算在本生（科學家）的實驗室裏進行研究工作，可是兩位科學家的研究興趣不同，本生當時正集中精力研究光譜分析，而門捷列夫熱衷研究的是另外的問題。他果斷地選擇了自己的科學創造方針，用自己所領到的微薄的出國費來建立自己的小實驗室。
海德爾堡有製造科學儀器的工廠，有出產化學試劑的工廠。門捷列夫根據自己設計的圖樣定製或定購了所需要的儀器，把自住的兩間房騰出一間作實驗室。
門捷列夫非常熱情地進行工作。他在自己的實驗室裏埋頭於他所一心向往的研究。他在給學校的信中說到：“在國外的大部分時間都用來研究旨在使化學、物理學和力學相結合的專門科學。我確信化學的親和力與內聚力是一回事；並且我還確信，如果不知道分子內聚力的大小，就不可能完全解決關於化學反應原因的問題，因此，我選擇了這個很少有人研究的問題作為我的專業。”
門捷列夫在研究毛細管現象方麵完成了精密計劃過的實驗，並在這些實驗中正確地看到了分子之間是具有內聚力的。進行這些研究工作的結果，寫成了3篇論文《論液體的毛細管現象》、《論液體和膨脹》和《論同種液體的絕對沸騰溫度》。
這些著作的重大意義是無可估量的。當時人們認為氣體分為兩種：即能夠液化的氣體和不能夠液化的氣體（即所謂“永久”的氣體）。例如：氧、氮、氫、甲烷、一氧化碳等都是不能濃縮的氣體。門捷列夫根據自己的實驗首次指出了這種劃分的錯誤。
門捷列夫在十分繁忙的實驗工作中，仍利用業餘時間會晤朋友，他在給化學家希什科夫的信中寫到：“在國外的俄羅斯科學家中我認識了別凱托夫、阿巴謝夫，薩維奇、謝切列夫。這些人，除了阿巴謝夫外，他們都給俄羅斯增添了光榮，和這些人來往是非常愉快的。”
因為他們都非常熱愛自己的事業，熱愛勞動，這就使他們結成了莫逆之交。這樣優秀人物的友誼點綴了他們每個人的生活，使他們每個人的生活更加愉快和豐富了。
1860年門捷列夫參加了在德國卡爾斯盧厄召開的第一次國際化學家代表大會，會議上解決了許多重要的化學問題：最終確定了“原子”、“分子”、“當量”、“原子價”等概念，並為測定元素的原子量奠定了堅實的基礎，使化學上空籠罩的一片混亂和模糊的陰雲逐漸消散。近代原子、分子的統一理論得以確立。通過這次大會，對門捷列夫形成周期律的思想產生了很大的影響。
1861年2月，門捷列夫回到彼得堡。又熱情地重新擔任起兩年以前的大學教授工作，開始講授有機化學，雖然教學工作十分繁忙，但門捷列夫繼續著他的科學研究。
門捷列夫在講授有機化學課程的同時，感覺到有必要編寫一部能夠由淺入深，條理井然地闡明世界上最新化學理論成就的教科書。他決定把新的正如他所著稱的“統一的”化學觀點作為教科書的基礎。由於門捷列夫夜以繼日地在高大的寫字台上努力地工作（這張寫字台現在擺放在彼得格勒國立大學的門捷列夫陳列室裏），僅用了兩個月的時間就寫出了一本《有機化學》教科書。這是俄國第一本用俄文寫的有機化學教科書。這本新著受到了普遍的讚揚，並獲得了俄羅斯科學院的季米多夫獎金。
這本書有兩個特色：一是確定了說明有機化學所積累的廣泛資料的新原則：“自然化學係統的基礎，應該是它們在化學性質方麵的相互聯係，而不是一種或是兩種物理屬性。”這個指導思想使門捷列夫後來在發現周期律的工作中高人一籌。二是與當時大多數有機化學教科書不同，它公開反對了流行的“活力論”觀點。門捷列夫寫道：“每一種生命現象都不是由於什麼特殊力量或是什麼特殊原因造成的，而是根據大自然的一般規律形成的。”
門捷列夫在進行這些工作時，並沒有放棄研究物理化學的基本理論問題，因為這是他一開始研究科學就甚感興趣的問題。
他用了將近一年的時間研究、觀察出溶液比重的變化同水中酒精含量的百分比有關。查明當酒精和水的分子比為1∶3時，溶液密度最大。於1865年答辯通過了博士論文《論酒精和水的結合》。這一發現後來成為溶液水合理論的基礎。
門捷列夫寫道：“我自己從關於溶液的全部知識中得出的結論是溶劑和溶質的結合是化學性質的。”他所根據的四點理由是：
（1）溶液中生成固定組成的化合物；
（2）在很多情況下溶解過程總伴隨有化合物所特有的現象；（3）存在有某些固體結晶化合物；
（4）生成含有結晶水的化合物。
門捷列夫把溶液中的多種化學形式和過程叫締合作用。
1883—1887年，門捷列夫發展了關於溶液、溶液中物質的相互作用，關於形成固定組成化合物學說的基本原理。在這期間，他收集了大量的事實材料並加以係統化，這些材料成為他的專著《對水溶液比重的研究》（1887年）一書的根據。