1848年，門捷列夫進入了托博爾斯克學校讀書。這是一所八年製的中學。按規定是8歲才能夠進入這所學校一年級學習的。可當時門捷列夫隻有7歲，為了能夠讓他上學讀書，母親瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃曾多次去中學校長那兒與之商量：
“校長先生，我的兒子米金卡雖然隻有7歲，還不夠進入貴校學習的年齡，但他的智商不低，可以和10歲的孩子相比。”
“是這樣嗎？”校長用不大相信的口吻說道。
“校長先生，看得出來，您對我說的話不太相信，這樣好不好，明天，我把米金卡帶來，您當場考一考他，相信您會滿意的。”瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃顯得非常自信。
第二天清早，瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃就把門捷列夫帶到了托博爾斯克中學的校長室來了。校長坐在椅子上，仔細地端詳著眼前這個孩子。
校長看到，門捷列夫生著兩隻扇風耳，一對大大的藍眼睛總是睜得圓圓的。他的頭發淺黃而柔軟，理成平發，顯得他的腦袋又大又圓，像個圓球，這個圓球就像是架在狹窄、消瘦向上聳起的肩膀中間似的。門捷列夫一動不動地站在那兒，給人的印象就是一個操心勞累而且辦事認真的小大人。隻有他那對藍眼睛裏表露出他對人、對待生活、對待學習是隨和的、嚴肅的和渴望的。
校長不知為什麼，自從瞧見門捷列夫時，就有點喜歡上他了，但他卻不動聲色。他讓數學老師別洛科維奇給門捷列夫出了一道數學題，校長看了後遞給門捷列夫：“這道題你會做嗎？”
“我試試看吧。”
門捷列夫拿起筆和紙。整個校長室靜極了。瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃的心都提到了胸口，她知道這對於小兒子是多麼的重要。屋子裏隻有人們的喘氣聲和筆與紙摩擦時發出的沙沙聲。
“我做完了。”門捷列夫把卷子交給了數學老師。
“呀，真是一個奇才！”數學老師別洛科維奇高興得喊了起來。
別洛科維奇把答好的卷子拿到校長麵前，非常激動地說：“這道題在一年級裏是比較難的，可是這孩子，不僅答對了，而且還用另外3種方法去解題，雖然有的步驟不大規範，但總的思路是對的，結果也都是對的！”
校長把卷子從頭到尾看了一遍後，十分平靜地對門捷列夫說：“這些解題的方法是誰教給你的？”
“是媽媽。”門捷列夫十分自豪地望著媽媽。他怎能忘記，有多少個夜晚，媽媽忙完手中的活計後，就坐在煤油燈前，教他讀字母，學數學。多少次，媽媽連累帶困地睡著了，那該死的煤油燈把媽媽額前的秀發都給燎著了。多少次，他哭著對媽媽說：“媽媽，您別教了，看您都累成什麼樣子了。”可媽媽卻十分嚴肅地對他說：“米金卡，別淨說那些沒有出息的話，隻要你們都能夠長大成人，將來有所作為，媽媽就是再苦再累，心也是甜的！”這就是媽媽，偉大而又平凡，用盡全力把孩子們高高托起的媽媽！
校長有些激動了。他從椅子上站起來，走到瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃的跟前，對她說：“你的孩子我們決定收下了。”同時，他又轉過身去，對門捷列夫深情地說：“米金卡，你真幸福，因為你有一個世界上最好最好的媽媽！”
門捷列夫知道自己能到托博爾斯克中學讀書是費了很大周折的，所以，自從入學的那天起，他就暗暗發誓，一定要努力學習，不辜負媽媽的期望。
門捷列夫的家離托博爾斯克中學較遠，他就讓媽媽把午飯給自己帶上。中午，別人都放學回家走後，他就先吃飯，吃完飯把飯盒刷洗幹淨後，就一個人坐在教室裏，安安靜靜地看起書來。有時候，媽媽怕他中午吃不飽，就時常給他一兩個盧布，讓他買些零食吃。可是，門捷列夫總是把這些盧布積攢起來，然後用這些錢去買一些書。在他看來，知識比什麼都重要。在書的沃野裏，在知識的海洋中，門捷列夫找到了屬於自己的世界。在讀書學習中，他感受到了極大的欣慰。
門捷列夫上課時非常專心。跟他坐在同桌的阿遼沙是一個官吏子弟，家中十分富有。阿遼沙上課時總是注意力分散，他時常在課堂上把懷表什麼的東西拿出來玩，有時，還用大額盧布折些小船兒、小燕子什麼的。玩了一會兒，他覺得無聊，便拽拽門捷列夫的衣角，時不時地還跟他咬咬耳朵。可是，門捷列夫聽起課來，很快就入神入境了，所以根本就不去理睬他，弄得阿遼沙十分尷尬。
而當下課的鈴聲一搖響，門捷列夫就會出去與阿遼沙和其他小朋友一塊兒玩踢球呀，捉迷藏呀，跳格格呀，扔口袋等遊戲，而且常常玩得滿頭大汗。可是，一走進課堂，門捷列夫就變得仿佛不認識阿遼沙似的，把那些遊戲一下子拋到九霄雲外，一門心思地坐下來聽老師講課。