門得列夫於1834年生於俄國西伯利亞的托波爾斯克市，這個時代，正是歐洲資本主義迅速發展時期，科學技術的發明、改良一日千里，化學也同其它科學一樣，取得了驚人的進展。
他的祖父是特維爾地區東正教主教，父親畢業於特維爾的神學院，後擔任學校校長。
12歲時，門得列夫的父親去世，母親的工廠又被一場大火毀於一旦，家境一落千丈，但門得列夫考入了托波爾斯克文科中學，也算是家裡的安慰。
1849年，門得列夫的母親變賣家產，帶著孩子四處求學，先後到過莫斯科、柏林和巴黎，最後在聖彼得堡高等師範學校為門得列夫找到一個入讀機會，
1850年，門得列夫就讀物理數學系。隔年9月，門得列夫的母親病逝，門得列夫決心發憤讀書，
1855年以優異的成績畢業，但由於被診斷出有肺結核，不得不到黑海邊上的克里米亞半島休養。
在此期間，門得列夫讀完了碩士，並於兩年後回到聖彼得堡。期間先後到過辛菲羅波爾、敖德薩擔任中學教師。
1857年他被聖彼得堡大學破格任命為化學講師。

1859年至1861年間，門得列夫被選拔去德國和法國留學，在海德堡進行流體的毛細現象以及光譜儀製作的研究，回國後任彼得堡工業學院。
1861年八月底他發表了一本關於光譜儀的著作，並贏得了很高的評價。
1862年，門得列夫結婚，第二年，成為聖彼得堡國立技術大學的教授。
1865年被聖彼得堡大學授予博士學位，並且被聘為化學教授。
1869年，門得列夫發現了元素週期律，並就此發表了世界上第一份元素週期表，按原子量的大小順序排的同時，將原子價相似的元素上下排成縱列，並據此預見了12種尚未被發現的元素。
1868年至1870年，他寫成《化學原理》一書，最先用週期規律的觀點系統地闡明了無機化學的基本原理。
1893年起，門得列夫擔任度量衡局局長。
1890年門得列夫當選為英國皇家學會外國會員，並於1905年獲得該學會的科普利獎章。
1906年，諾貝爾化學獎委員會提名門得列夫為當年的諾貝爾化學獎得主，但是在瑞典皇家科學院的大會上，有人提出用亨利·莫瓦桑替代門得列夫，
而科學院內具影響力的化學家阿瑞尼士強烈反對提名門得列夫，支持莫瓦桑，他的理由是發明元素週期表這項貢獻對於1906年的諾貝爾獎來說太老了。
而同時代的人認為真實的原因是門得列夫曾批評過阿瑞尼士的解離理論，阿瑞尼士伺機報復。
最終，皇家科學院的大多數投票支持莫瓦桑。 次年（1907年）2月2日，門得列夫因流行性感冒去世。