堅強的母親安排好其他子女的生活之後，就變賣了家產，打點行裝，帶著門捷列夫和尚未出嫁的小女兒葉麗托維塔，告別了故鄉托博爾斯克鎮。他們坐上馬車，趕往俄羅斯帝國的首都——莫斯科。
母子三人風雨兼程，懷著滿腔的熱情來到了莫斯科，而莫斯科卻用冷冰冰的態度來迎接遠從千裏之外而來的他們。事情很簡單，根據當時莫斯科大學的招生簡章規定，它隻招收莫斯科學區內的中學畢業生，而門捷列夫所畢業的那個托博爾斯克中學屬於喀山學區，門捷列夫隻能報考喀山大學。
母親瑪麗亞為了把兒子送進理想的莫斯科大學深造，不得不在莫斯科四處奔波，她挨個尋找丈夫昔日的好友，求自己娘家的幾個兄弟，讓他們幫助門捷列夫能夠參加入學考試；最後，她還找到了當時的教育部長。但這一切努力都無濟於事。她決定到彼得堡去試一下，因為那裏有丈夫生前的許多好友，那裏也是俄羅斯的文化重鎮，有多所著名的高等學府。
1850年春天，母親瑪麗亞帶著兩個子女風塵仆仆地來到了彼得堡。
母親一連數日在奔波，她為了兒子能夠進入高等學府完成學業傾盡了所有的心血。
經過準備，門捷列夫不孚眾望以優異的成績考上了醫學院。這個消息讓家裏人足足高興了幾天。
剛入學不久，門捷列夫聽輔導老師說要安排解剖課，心裏就發怵了，考入醫學院自己麵對的就是這些！與兒時到工廠裏玩看到的景象，產生的疑惑，相距真是太遠了。門捷列夫雖然內心對醫學沒有強烈的興趣，但他平常堅持要去上解剖課，看看自己到底有沒有發展的潛力。
等門捷列夫來到解剖室，他禁不住打了個寒顫。當他看到停放的屍體時，門捷列夫內心默念著給自己壯膽的話，和同學們站在一起，看老師進行示範講解。突然，一灘殷紅的東西映人眼簾，那是血！門捷列夫趕忙扭過頭，但已經來不及了。這種強烈的刺激已使得他暈倒在地，幸虧有幾個同學在他身旁，攙扶著他把他送到門外休息一下。可門捷列夫無論怎樣調節自己，還是感到強烈的惡心和頭痛，渾身無力，好像馬上就要倒下去的樣子。
門捷列夫回到了家，他的狀態還是沒有調整過來。母親勸慰了門捷列夫幾句，希望他能好好麵對困境。門捷列夫也極力地克製自己，可是第二天等他一踏入解剖室的大門，連半分鍾也堅持不了。事實證明，門捷列夫天生就不適宜從事醫學研究工作。
母親又得為兒子入學的事奔波了。
最後，母親在好朋友彼得堡師範學院院長的幫助下，從教育部獲得了一個特批的機會：隻要門捷列夫能夠通過各種考試就可以入學。門捷列夫終於抓住了稍縱即逝的機會，重新點燃了步入科學研究殿堂的希望，他以優異的成績被彼得堡師範學院物理數學係錄取，並得到了政府特殊津貼——學雜費、膳宿費全免的待遇。這樣，門捷列夫就可以安心地在彼得堡讀書求學了。
門捷列夫在彼得堡師範學院學習，真可謂是如魚得水，他在知識的海洋中汲取著各種營養。
這所大學隻有100餘人，從屬於著名的彼得堡大學，所以這裏的大部分課程由彼得堡大學派來的教師來講授，其中有許多著名的科學家。由於學生人數少，學生可以與任課的老師朝夕相處，他們可以在一起隨時隨地切磋學問，這使得學生進步很快。
在這裏，最令門捷列夫感到欣喜的還是他的幾位老師，正是他們把門捷列夫帶入科學研究的神聖殿堂。
彼得堡數學學派的奠基人，著名數學家米哈依爾·奧斯特羅拉德斯基和電磁感應理論的提出者、著名物理學家米裏·赫利斯欽諾維奇·楞茨對門捷列夫影響很大。他們深入淺出的講解，使得門捷列夫對數學和力學發生了濃厚的興趣。被稱為“大自然實驗家”的地質學家、礦物學教授斯切潘·庫托爾加以淵博的學識和無與倫比的口才，受到了學生們的熱烈歡迎。他的課令學生們如癡如醉，往往在不知不覺中一節課就結束了。
在上庫托爾加的課程時，門捷列夫可以說是一個最熱心的學生。每次他總是坐在第一排，能夠一字不落地把庫托爾加的講課內容給記下來。一個學期下來，門捷列夫就記了整整6個大本子的課堂筆錄。
機會總是降臨在有準備的人身上。
“米佳同學，你願意和我一道進行暑期考察嗎？我和幾位老師已經約好準備到高加索地區遊曆一番。這次的主要目的是想考察那裏的礦物和植物。但我們缺少一個肯於動手，善於采集標本的助手。我征求了大家的意見，大家都提到了你，希望你能做我們的助手。”庫托爾加熱情地向門捷列夫提出了邀請。