回到聖彼得堡後，他感慨萬端，奮筆疾書，寫出了一部關於發展俄國石油工業的著作，極力主張改革石油工業，堅決要求廢除石油開采的包租製，並斷言如果繼續下去俄羅斯的石油工業將癱瘓。他還提出了製造油輪和巨大的輸油管等建議。
當時俄羅斯政府的官僚作風嚴重，大家互相推諉不作實事，門捷列夫的這一建議，直到十年後才被采納。
門捷列夫不僅對工業非常關心，同時對農業也給予了大量的關注。
1865年夏天，門捷列夫奉命作為聖彼得堡大學的代表去莫斯科參加全俄工業展覽會。展覽會期間，他聽說鮑博羅沃在克林斯克縣的莊園要出賣，就興奮地跑去仔細查看了一番，最後決定將它買下來。
但是，門捷列夫手頭並不富裕，於是他想到了鮑羅廷，決定和他一起合資購買。
他和鮑羅廷說完自己的想法後，鮑羅廷笑道：“你是不是在和我開玩笑啊？眾所周知，現在農民剛剛得到解放，地價低得厲害，搞莊園生產不太合適吧？”
門捷列夫信心百倍地說：“我認為隻要改良土壤，並向土地投入自由勞力和資金，那麼靠農業生產是可以盈利的。”
“你了解那塊地的情況嗎？據我所知，這個莊園有將近400畝土地，大部分覆蓋著森林和草地，還有將近60畝耕地。雖然有些耕地種過糧食，但沒有收成；還有一部分像周圍其它所有地主的土地一樣是閑置的。”
門捷列夫打斷了鮑羅廷的擔憂，說道：“這些情況我都知道，而且我已經親自去考察過了。我認為隻要大量施放好化肥以改良土壤，並使用機器進行生產，那片土地還是很有潛質的。同時，咱們還可以適當地搞了一些畜牧業，那樣既利用了草地又獲取了肥料。”
說到這裏，他充滿希望地說道，“相信我，我會讓這塊土地盈利的。”
作為門捷列夫的摯友，鮑羅廷非常相信他的才能，於是和他一起購買了鮑博羅沃的莊園。
門捷列夫用了六七年的時間，實現了自己的承諾，得到了實實在在的利潤。
在最初買這塊地時，一畝黑麥的平均產量不超過80公斤，好年成也不超過100公斤，年成不好時隻有五六十公斤，至於豐收，幾乎沒聽說過。
在他接手之後第五年，黑麥的平均畝產已經達到130公斤，第六年達到150公斤。別的糧食作物產量也按這個比例增長。
酸凝乳、酸奶油的生產和養豬也帶來了直接的經濟效益。生產的成果可以說十分顯著，
到後來，連著名的農學教授都帶領農業科學院的學生去參觀門捷列夫的經營情況。
門捷列夫在五六年內就輕鬆地使所有土地的產量翻了一番，他的成績使他提倡的，在廣泛使用機器、化肥和農業技術的基礎上發展俄羅斯的農業的提議，得到了大家的認可。
因此門捷列夫又被稱為俄國農業化學的創始人和農業化學化的預言者。
不管是對工業還是對農業，門捷列夫都本著科學強國的理念，他認為隻有擁有了先進的科學技術，才能夠擁有強大的綜合國力，隻有把科學運用到實踐當中，才能夠發揮科學的真正魅力。
成立俄羅斯化學協會
在門捷列夫眼中永遠沒有滿足，他在發表了一係列的論文，獲得了眾多榮譽之後，他又開始了新的攀登——向博士進發。
“米嘉，你是我見過的最偉大的人，你既編寫《技術百科辭典》，又在三個學院講課，還撰寫關於玻璃生產的論文，也許，還有些我不知道的事吧？” 鮑羅廷坐在門捷列夫的實驗台旁，滿懷熱情地望著自己的朋友。
“是的，還有博士學位論文。我發現了一個奇妙的現象，就是把水和酒精混合，它們的體積會變小。”門捷列夫興致勃勃地說道。
“真不可思議，我還以為組成溶液的溶質和溶劑，沒有確定的比例，它們不遵循定比定律。溶液隻能是混合物而不是化合物呢。” 鮑羅廷驚奇地表示異議。
“看來，不是這樣。如果它是簡單的混合物，則溶液的量應該與酒精和水的原始數量相等，可是，它卻少了些。”
“這真有意思！”
“還有更神奇的呢，我發現當純酒精與水的重量比是46:54的時候，溶液的體積最小。”
“哦，那不是酒精的分子量和三個水分子的分子量之比嗎？”
“對啊！因此我斷言溶劑和溶質的結合是有規律的，它們不是簡單地摻雜在一起。”門捷列夫更加興奮地說。
“你的觀點又是一個大的突破。我期待著你最後的結論。” 鮑羅廷高興地說。
不久，門捷列夫通過實驗得出一個結論：溶劑和溶質的結合是化學性質的。
他根據的理由是：溶液中生成固定組成的化合物；在很多情況下溶解過程總伴隨有化合物所特有的現象；存在有某些固體結晶化合物；生成含有結晶水的化合物。 門捷列夫把溶液中的多種化學形式和過程叫締合作用。
1865年1月31日，門捷列夫順利地通過了博士論文《論酒精和水的結合》答辯，獲得博士學位。
值得在此著重提出的是，門捷列夫沒有因為博士論文的通過就放棄對水溶液的研究。他在1887年，出版了一部這方麵的綜合性專著《水溶液比重之研究》。
這部書概括了門捷列夫自己的理論和實驗研究，收集和分析了大量的溶體文獻，闡述了此前作者對於溶體性質的認識。全書內容十分豐富，觀點鮮明，其中的很多結論到現在還對科學研究起著指導作用。
特別是書中給出的幾張表格，如食用鹽溶體受成分影響的密度表、酸溶體受成分影響的密度函數曲線圖、鹽酸水溶體受成分影響的密度總表及酒精的水溶體在不同溫度條件下的密度彙總表等，至今仍然是測量溶體密度的主要依據。
此書完善了承認溶體中存在溶質水合分子的締合的溶體學說，認為這些分子處於一種動態的平衡狀態，稀釋以後它們會產生不同形式的分解。
門捷列夫的這一學說在以後溶體理論的發展中留下了深深的印記，引起了許多研究，導致了一係列重大發現。現代的電解溶體理論也是受到門捷列夫學說的影響而發展起來的。
這部書的意義還不僅僅在於它的科學價值，它同時也是門捷列夫獻給母親的一部巨作，是他一生中唯一的一部帶有紀念性質的著作。
門捷列夫在《水溶液比重之研究》的序言中寫了這樣幾行意味深長而動人的話：
“這部作品是作為最小的孩子紀念自己的慈母而寫的。隻有慈母以自己的辛勤勞動經營工廠才能使兒子長大成人，她以身作則來教育兒子並以慈愛來糾正兒子的錯誤！她為了使兒子獻身科學，毅然離開了西伯利亞，並不惜罄其所有，竭盡全力。
臨終遺囑說：‘不要欺騙自己，要辛勤地勞動，而不是花言巧語，要耐心地尋求真正的科學真理。’因為她知道，人們應該知道更多的東西，並借助於科學的幫助，不是強迫，而是自願地去消滅成見和錯誤，而且可以做到：捍衛已經獲得的真理，進一步發展自由，共享幸福和內心的愉快。”
門捷列夫將母親的遺訓作為神聖的信條，他的一生都在堅守著這個信條。
門捷列夫還把對溶液的研究比作自己的孩子，他說：“看來，對於溶液，人們開始理解，就連奧斯特瓦爾德一派的人也開始正確評價。我這裏實在的東西很少。但是，牢固的基礎卻是明顯的。我首先寄希望於美國人，他們在化學方麵搞出很多好東西。他們會記起我的。”
從門捷列夫的學士論文、碩士論文到博士論文，從固體到液體，從相似元素間的關係到不相似元素間的關係，門捷列夫一步一個腳印地向自己的目標邁進。
兩個月後，門捷列夫被任命為聖彼得堡大學化學工程學代理教授，秋天，被正式任命為教授。
1866年夏天，門捷列夫的良師益友伏斯克列森斯基當上了彼得堡大學的校長。同年，學校分給他一套住房。他於11月24日搬進了新家。
這時，門捷列夫在聖彼得堡大學的課程明顯增多，他不得不推掉了技術工藝學院的有機化學課，並推薦別爾施太因接替自己的位置。
1867年初，門捷列夫有幸以俄國分展會會長助理的身份參加了在巴黎舉行的世界博覽會。在這裏他大開眼界，同時也為俄羅斯落後的工業情況大為著急。
回到聖彼得堡之後，門捷列夫就此次巴黎之行寫成了題為《論現代化學生產的發展及其在俄羅斯的應用暨關於1867年世界博覽會》的專著。
在這本書裏，門捷列夫詳細地描述了他在許多國家製堿工廠看到的生產和經濟狀況。他介紹了斯特拉斯福特的工廠是怎樣開采和加工鹵水石的，闡述了麵包的烤製過程，分析了國外煤油、石蠟等礦物照明材料和硬硝酸甘油、肥皂、人造化肥的生產情況。
這本書一出版，就受到了各界人士的普遍歡迎。本書中關於純堿和石油生產的章節具有特別重要的意義。從那時候起，這兩個行業的人士開始聽取門捷列夫的意見了。這本書是門捷列夫的第一部大型的技術經濟著作，為他在這一領域帶來了盛名。就在這一年，伏斯克列森斯基教授離開聖彼得堡，去了哈爾科夫。門捷列夫擔任了伏斯克列森斯基空出的位置——聖彼得堡大學無機化學教研室主任。
在這所著名的大學裏擔任無機化學教研室主任是何等的光榮！門捷列夫感到自己肩上的責任重大，他決心盡自己最大的努力工作。
門捷列夫給自己設立了一個目標，即把聖彼得堡大學建設成為全俄最大的科學中心，讓聖彼得堡大學站在科學的最前沿陣地上。
為了實現這個目標，門捷列夫把生命的寶貴時光和全部精力都貢獻了出來。他邀請當時名氣很大的布特列洛夫，從喀山到聖彼得堡講課；他安排在分析化學方麵頗有建樹的學生門舒特金，給大家公開講座。
門捷列夫唯賢是舉，從不嫉賢妒能；他敢於打破常規，標新立異。隻要他認為是對教學有幫助的，他都會吸取。正因為門捷列夫不懈的努力，使俄國在化學科學上穩步發展，在他的後來人當中湧現了一批卓越的化學家。
中國有句老話：千裏馬易得，而伯樂難尋。在聖彼得堡大學，這句話變成了：隻要你是千裏馬，就會被伯樂門捷列夫挖掘。
舉世公認，門捷列夫在提攜後來人，大力推進科學發展方麵是付出了巨大而高尚的努力的。
門捷列夫既注重教研，又注重科學交流。他認為科學家們積極的學術活動造成了如今俄羅斯自然科學的繁榮。
而當時的化學界是一個以區域劃分的零散的組織結構，這樣不利於大家的互相交流，於是門捷列夫產生了成立一個化學界科學家的統一的學術團體的想法。
1868年，門捷列夫正式向科學家們提出了這個倡議，倡議一提出立刻得到了熱烈響應。這年11月，俄羅斯化學協會成立，這個協會彙集了俄羅斯最優秀的化學家。34歲的門捷列夫擔任主席。
這個協會的宗旨在於“促進化學所有學科的成績和推廣化學知識”，並倡導，在俄羅斯所有城市都擁有化學協會的會員，俄羅斯的化學家用俄文發表的著作都將收入其會刊。
化學協會的成立在俄國化學家的生活和工作中是一個重大事件。現在他們可以就亟待解決的問題交換意見，可以了解國內外的科學實驗成果，討論和評價某些學者和學派的研究。
協會的成立，將俄羅斯的科學家團結到了一起，在這個團體裏，人們親如一家，齊心協力地發展著本國的科學技術。
團結的力量是偉大的，一群科學家團結的力量簡直是無窮的。這個協會代表的是整個俄羅斯的科技前沿，它是整個俄羅斯的希望。它的倡導者，門捷列夫作為一個這樣的協會的主席，感到無比的自豪，他覺得自己應該帶動一場科技的暴風雨，以此作為協會的洗禮。