門捷列夫擔任著理論化學和有機化學兩大門課程的主講任務，盡管教學和組織工作十分繁忙（門捷列夫還被選為係裏秘書），但他一天也沒有放鬆科學研究工作。兩年裏，他相繼完成了多篇有關氣體燃燒和冶金方麵的論文，這些論文在國內外許多著名刊物上發表後，引起很大轟動。
當時的俄國沙皇政府，對科學研究工作極不重視，就是著名的彼得堡大學的實驗室，條件也非常差。這裏不但設備簡陋，而且必要的通風和排風設備也沒有。因此，門捷列夫在做試驗時，無論是冬天，還是下雨天，都必須經常地到外麵去呼吸新鮮空氣。在當時，不僅實驗室簡陋，而且在彼得堡，連一些試驗用的試管都買不到，甚至就連橡皮管都得實驗人員自己製造。在這種情況下，門捷列夫為了使自己的研究能夠再繼續深入地進行下去，他不得不考慮出國的問題。
1859年1月，沙皇政府批準門捷列夫去德國進行“科學深造”，但期限隻有兩年。
門捷列夫簡單地收拾了一下，便馬上來到德國的海德爾堡。海德爾堡大學有許多著名的科學家，如本生、基爾霍夫等，和他們接觸，使門捷列夫受益匪淺。同時，海德爾堡還有製造科學儀器的工廠和生產化學試劑的工廠，這些優越條件，對門捷列夫來說，是求之不得的。他十分珍惜這次出國的機會，很快便投入到緊張的學習和研究中去。
門捷列夫決定利用自己所領到的微薄的出國費來建造自己的小實驗室。他根據自己設計的圖樣購買和訂製了所需的儀器，並且把瓦斯管裝引到自己的公寓裏。他把自己所住的兩間房子騰出一間來做實驗室，還請來海德爾堡最優秀的工匠為自己製造專用的溫度表和比重瓶。工匠們根據門捷列夫所設計的圖樣而製成的比重瓶，在以後的實驗中獲得了廣泛的應用，這種比重瓶日後被人們稱之為“門捷列夫比重瓶”。
門捷列夫在自己的實驗室裏埋頭於他所一心向往的研究工作。
辛勤的汗水必然會獲得豐收的喜悅。在德國的頭一年裏，門捷列夫就根據他的試驗結果，連續發表了3篇論文。
門捷列夫在《論液體的毛細現象》中指出：毛細管中液麵的上升，是由於液體分子之間存在著內聚力和液體分子與管壁之間存在著附著力。當通過加熱，分子內聚力減弱，以至最後等於零時，液體就變成了氣體。對於液體的研究，門捷列夫還發表了《論液體的膨脹》和《論同種液體的絕對沸點溫度》。在後一篇論文中，門捷列夫提出了絕對沸點溫度（即臨界溫度）的概念，並指出，當氣體溫度高於此溫度時，無論施加多大的壓力，都不能變為氣體。門捷列夫這些論文的重大意義是不可估量的。因為，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，如氧、氮、氫、甲烷、一氧化碳等都是不能夠濃縮的氣體，而門捷列夫正是根據自己的試驗結果，首次指出了這種劃分的錯誤。
1860年秋天，門捷列夫以籌備委員會成員的身份參加了在德國卡爾斯盧厄市舉行的第一次化學家的國際會議。
這次會議是化學家的第一次世界代表大會——在化學史中起了重大的作用。
當時，化學仍然在經曆著“混亂時期”，甚至連這門科學的基本概念都未確定，科學家們的見解紛紜，莫衷一是。門捷列夫從卡爾斯盧厄寫信給他的老師伏斯克列·辛斯基說：“有些人認為當量就是互相代替，而不變其基本性質的物體數量；另外一些人則認為當量就是配量，即化合物中各種物體的重量比；還有一些人則認為，當量是根本不可能徹底理解的，它必然要引起意見的分歧。確定每一種物體質點時，有些人隻承認化學特性，即反應；另一些人認為隻需要物理的特征；最後，第三種人斷言兩種論點是一樣的。”
會議上，許多著名化學家積極發言，各抒己見，爭論十分熱烈。不少著名的化學家還在會議上做了十分重要的學術報告，使門捷列夫眼界大開，受益匪淺。同時，他也看到，化學界“處在混亂狀態”，缺少統一的理論做指導，從而，門捷列夫找到了自己在化學領域進行研究的主攻方向。
1861年初，門捷列夫結束了在德國的研究生活後，回到彼得堡大學，繼續講授有機化學課程。
門捷列夫在剛剛開始講授有機化學課程時，就覺得彼得堡大學所使用的教材不但陳舊，而且有些內容還故弄玄虛，使學生很難理解和接受。於是，他感到有必要編寫一部既能夠深入淺出，條理清楚，學生易於接受，又能夠把世界上最新的化學理論成就都納入其中的教科書。
在編寫這部《有機化學》教科書時，門捷列夫給自己明確了基本任務：不僅要寫某些有機化合物，而且還要指出這些化合物如何由不太複雜而形成較為複雜的，它們彼此之間是如何發生反應的。同時，門捷列夫還確定了說明有機化學所積累的廣泛資料的新原則：“自然化學統一的基礎，應該是它們在產生和化學性質方麵的相互聯係，而不是一種或兩種物理屬性……”