在元素周期律的探索者中，門捷列夫的確是站得最高、想得最深、看得最遠的出類拔萃的傑出人物。
但是，對周期律的認識還剛剛開始。為什麼元素性質會隨著原子量的遞增而周期性的變化？為什麼原子量上一些很小的變動會引起元素性質上的極大變動？例如化學性質最活潑的氟，它的原子量（1900）跟最不活潑的氖的原子量（202）隻相差1，而鐵和鈷的化學性質很相似，可是它們的原子量（5585和5894）的差值卻差不多大到3，這是什麼緣故呢？
當時出現了兩條解決這個問題的道路，一條是努力揭示出決定元素所有性質的質量的本質是什麼；另一條道路是弄清原子的複雜結構和元素相互轉化的規律。在70年代，也就是門捷列夫剛剛提出周期律不久，他還是個40歲左右的中年人時，他認為第一條道路似乎更正確，它能引導科學直接走向目標，可是對第二條道路他也沒有堅決摒棄。為此他一直致力於研究質量和引力的本質。
19世紀末，X射線、放射性、電子等一係列新發現，重新把原子的複雜結構和可轉化性的問題提到議事日程上來時，為揭開周期律的秘密提供了大好機會。然而年已六七十歲的門捷列夫卻成了新發現的固執的反對派了。他否認原子的複雜性和可分性，否定元素轉化的可能性。他曾說：“我們應當不再相信我們已知單質的複雜性”，並宣稱“關於元素不能轉化的概念特別重要，是整個世界觀的基礎。”
同一個門捷列夫，早期依靠正確的哲學思想開創了發現周期律的勳業；晚期卻因形而上學自然觀的束縛而堵塞了發展周期律的道路。
婚姻與家庭
19世紀70年代門捷列夫的生活發生了相當大的變動。
1862年，門捷列夫與費奧茲娃·尼基季奇娜·列且娃結婚了。她是一位並不聰慧且帶神經質的病態婦女，終日鎖在家務瑣事的狹窄圈子裏。門捷列夫早在最初認識列且娃的時候，就寫信給他姐姐奧麗佳·依凡諾芙娜·巴薩爾金娜說：“我越是和我的未婚妻接近，我就越是覺得我對她並沒有未婚夫的感情。”可是她姐姐卻對門捷列夫這種感情嚴加斥責，她寫道：“你回憶一下偉大的歌德的話，‘最大的罪莫過於欺騙姑娘’。你訂了婚，成了未婚夫，如果你現在拒絕她，那麼她將會處於何種情況呢？”門捷列夫聽了姐姐的話。1862年他們舉行了婚禮。但是不出所料，這的確是一件不幸的婚事。
門捷列夫也希望妻子能夠理解自己所負擔的使命，從而獲得友誼的支持。然而，實際上他一個人單獨地進行了艱巨的創造工作，並且很痛苦地忍受了孤獨的生活。
衝突發生了，這種衝突與其說是門捷列夫和他夫人的私人關係所造成，倒不如說是他與整個宗法環境的衝突所造成的。
1876年，門捷列夫在自己的姐姐卜普斯金娜家裏，結識了自己外甥女的女友，聰明而有藝術天賦的安娜·依凡諾芙娜·波波娃，進而愛上了她。
但離婚可不是一件輕而易舉的事。好不容易經過4年的工夫，才獲得費奧茲娃·尼基季奇娜的同意，1880年門捷列夫和安娜·依凡諾芙娜結了婚。
從前一向是很沉寂的門捷列夫的寓所現在變了樣。每逢星期五，後來是每逢星期三，先進的俄羅斯藝術家和科學家都到這裏聚會。經常到門捷列夫家去的有克拉姆斯柯依、列賓、雅羅申柯、米亞索耶道夫、庫英支、瓦斯涅佐夫、蘇裏科夫、西什金和其他接近“流動展覽畫家”運動的藝術家們。
門捷列夫家裏的“星期三”過得既愉快而又活潑。安娜·依凡諾芙娜在回憶錄中寫道：“這些藝術家們都很喜歡星期三。這裏聚集了中立陣地上各個陣營的人們，由於門捷列夫參加了克製各走極端的僵局。這裏可以聽到一切藝術新聞。藝術品商店把藝術出版物送給星期三集會來審閱。有時藝術界中的創作家把自己的新創作帶來展覽。那時，彼得魯雪夫斯基曾經想要寫一本論述顏料的著作，門捷列夫所創立的氣氛，到處都呈現著高尚知識趣味，而沒有低級的趣味和誹謗，使星期三變得格外有趣而愉快。”
門捷列夫沉醉於繪畫。庫英支展覽出自己的新畫片《第聶伯河上之夜》後，門捷列夫寫了一篇評論這幅畫的文章《在庫英支的畫前麵》。這位科學家在這篇論文中提出了許多關於藝術的精湛見解。
俄國藝術家們為了尊崇門捷列夫對繪畫問題的濃厚興趣和關懷，並重視他對藝術的賞識，1894年推選門捷列夫為藝術院院士，以表敬意。
門捷列夫最熱愛的主要事業仍然是科學活動。他在家裏的時間相當少。若這天沒有課，門捷列夫就從清早起，連續不斷地一直工作到下午五點半。
按習慣他在晚上六點鍾進午餐。進餐後，常常就一直繼續工作到深夜。這樣他日複一日地過著充滿勞動，深切關懷各種事物與創造樂趣的生活。