為了能夠讓門捷列夫到莫斯科大學去就讀，瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃決定離開居住多年的家鄉——托博爾斯克市，把家遷往大城市莫斯科去。
瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃把工廠做了清算，並變賣了家中的全部資產。1849年夏天，她帶上年僅15歲的門捷列夫和小女兒麗莎乘坐著馬車開始了遙遠的行程。
托博爾斯克距莫斯科有2000多公裏的遙遠路程。
路上，門捷列夫看到了秋明、斯維爾德洛夫斯克、喀山、梁讚等俄羅斯西部的重要城市，看到了古老宏偉的大教堂和風格一新的歐洲哥特式建築。
路上，他看到了俄羅斯大片大片的原始森林，看到了生活在那完美的森林之中的各種野生動物，它們生活得那樣無憂無慮，令他羨慕和嫉妒。
路上，他看到了西伯利亞那遼闊的草原，成群的牛羊和飛奔的駿馬。他能為置身於這樣的國度裏感到驕傲和自豪。
路上，他看到托博爾河、卡馬河、奧卡河等許多河流，經過了烏拉爾山脈，使他對這裏的地質構造有了進一步的了解。
路上，他聽到了高加索漢子那粗獷的帶著近乎野性的笑聲和俄羅斯姑娘那像夜鶯般甜美的歌聲。
路上，他經曆了風雨的洗禮，也更加懂得了人生的艱難。
路上，他也看到了被蝗蟲咬得東倒西歪的莊稼，老人抱著孩子，呆呆地佇立在田頭。
路上，他看到烏裏揚諾夫斯克一帶發大水，船從屋頂上駛過，水裏飄浮著死豬、死牛和死人。
路上，他看到在許多大城市中，那些瘦得叫人心酸的和他幾乎是一樣大年齡的孩子，把頭鑽進垃圾箱裏去揀東西吃。還有那些肚皮貼著脊背的老乞丐，搖著風琴向行人乞討，風琴在冷風中嗚咽。
這千裏之行，既使門捷列夫對俄羅斯的秀美風光終身難忘，對俄羅斯無盡的寶藏和資源有了比較清楚的認識；也使門捷列夫看到了沙皇尼古拉一世統治俄國的現實：貧富不均，多災多難……門捷列夫此刻隻有一個願望：盡快趕到莫斯科，趕快學到新的知識，好用科學來拯救自己的祖國——俄羅斯。
門捷列夫和母親、姐姐，經過千辛萬苦，長途跋涉來到莫斯科。正當他準備報考莫斯科大學時，莫斯科大學卻把這位來自西伯利亞的年輕人拒之門外。為此，瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃曾多次同莫斯科大學校方交涉，但得到的回答卻是：門捷列夫是托博爾斯克中學的畢業生，出身學校不在指定的校區之內，所以，按照規定，門捷列夫隻能報考喀山學區的大學，而不能進入莫斯科大學學習。
沒有辦法，瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃隻好帶著門捷列夫和麗莎又去了當時俄國首都的所在地——彼得堡。
在彼得堡，門捷列夫考上了醫學外科學校，在這裏，很短的時間內，他的才華便顯露出來了。然而不幸的是，一次，他在上屍體解剖課時，一看到屍體就當場暈了過去。沒有辦法，門捷列夫隻好忍痛放棄了學醫的打算。
瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃不相信彼得堡會沒有自己兒子的立足之地。於是，她又帶著門捷列夫來到了丈夫生前就讀的學校——彼得堡高等師範學校。
當時這所在沙皇統治下的學校，借口學生參加了政治問題的討論而暫時停止招考新生。但這次，門捷列夫很幸運。母親瑪麗雅·德米特利耶芙娜·門捷列也娃找到了丈夫生前的幾個老朋友，在他們的幫助下，教育大臣才破例批準：隻要門捷列夫各科考試都及格，就允許他入學。
經過十分嚴格的考試，門捷列夫終於被彼得堡高等師範學校的物理數學係所錄取，並且得到了政府津貼住宿生的待遇。
彼得堡高等師範學校附屬於彼得堡大學，由曆史、語文和物理數學係組成，學生隻有100人左右，但有好幾位著名的科學家在這裏任教。他們當中有著名的物理學家楞次、數學家奧斯特洛格拉德斯基。特別是化學家伏斯克列·辛斯基在這裏任教，他對門捷列夫的學習和以後的工作產生了重要的影響。門捷列夫把這位著名的化學教授稱之為“俄羅斯化學之父”。