1834年2月8日，生於西伯利亞托博爾斯克。出生不久，他的父親就雙目失明，被迫退休。
1841年，就讀於托博爾斯克中學。
1848年，門捷列夫的父親去世，隨後他的大姐病逝，再後來一家賴以生存的玻璃廠被大火燒為灰燼。
1849年，中學畢業，進入聖彼得堡中央師範學院自然科學數學係學習。
1850年，門捷列夫的母親去世。
1855年，大學畢業，並獲金質獎章，畢業後任敖德薩中學教師。
1856年，發表論文《論比容》，獲物理和化學碩士學位。
1857年，被聘為聖彼得堡大學化學教研室副教授。
1859年，到德國海德堡大學深造。
1860年，發現氣體臨界溫度；同年，參加了在卡爾斯魯厄召開的國際化學家代表大會。
1861年，回到聖彼得堡，出版《有機化學》。
1862年，和列謝娃結婚；出版《工藝學手冊》，考察巴庫油田。
1865年，獲化學博士學位，任聖彼得堡大學化學工程學教授；購買莊園，從事農業生產。
1866年，任聖彼得堡大學普通化學教授。
1867年，第一部技術經濟著作《論現代化學生產的發展及其在俄羅斯的應用暨關於1867年世界博覽會》問世；擔任了無機化學教研室主任。
1868年，俄羅斯化學協會成立，出任化學協會主席。
1869年，發現了化學元素周期律。
1871年，發表了第二張元素周期表，並出版了《化學原理》第一版；以後陸續出增補修訂版，1906年出版第8版。
1872年，開始研究氣體的狀態。
1873年，設計研製成功差式氣壓計。
1874年，得出了理想氣體狀態的新方程式。
1875年，在元素周期表中預測的新元素“镓”被發現，同年他的大型專著《論氣體的壓力》的第一部分出版。
1876年，參加美國費城工業展覽會。
1879年，預測的新元素“鈧”被發現。
1880年，爆發“門捷列夫事件”。
1885年，出版《論石油》。
1886年，預測的新元素“鍺”被發現。
1887年，發表《水溶液比重之研究》；進行高空飛行，並提出在地下將煤氣化的觀點。
1890年，離開聖彼得堡大學。
1891年，《關稅解說》出版。
1892年，研製成功新型無煙火藥。
1893年，進入度量衡總局，開始對度量衡的調整。
1899年，到烏拉爾，研究烏拉爾冶鐵工業，順便回了趟故鄉，編寫著作《1899年烏拉爾冶鐵工業》。
1903年，發表《對世界太空的化學理解嚐試》，並開始發表《藏在心底的想法》。
1907年2月2日，這位享有世界盛譽的俄國化學家在聖彼得堡與世長辭，享年73歲。