Первая опубликованная работа Менделеева была выполнена под руководством Куторги, который вместе с Воскресенским предложил Дмитрию заняться исследованием привезенных из Финляндии образцов минералов ортита и пироксена. Природа образования кристаллов еще не была открыта, но сама геометрия этих причудливо выраставших форм наталкивала юношу на мысль о некоем законе, определяющем это разнообразие. Позднее он напишет объемное сочинение «Об изоморфизме», от которого и начнется его извилистый и противоречивый путь к открытию Периодического закона. Отношения между Менделеевым и Куторгой с самого начала сложились наилучшие. Степан Семенович очень симпатизировал пытливому сибиряку и привлекал его к обработке материалов, жига пленных из экспедиций. Когда Куторга был в отлучке, его заменял минеролог, большой знаток кристаллических форм И И. Кокшаров, о котором Дмитрий Иванович впоследствии вспоминал с признательностью и откровенной нежностью. Ни Ку торга, ни Кокшаров не могли еще знать всего набора возможных разновидностей кристаллов — их предел будет вычислен значительно позже, — но они помогли студенту Менделееву задуматься над внутренней логикой роста кристалла и влиянием на него внешней среды.

Выпускниками Дерптского профессорского института были еще два профессора Главного педагогического — астроном Алексей Николаевич Савич и ботаник Иван Осипович Шиховский. Савич имел репутацию знатока практической астрономии и отличного наблюдателя. Именно он, проведя нивелировку пространства (824 версты) между Каспийским и Черным морями, окончательно установил, что Каспийское море лежит на десять саженей (около двадцати одного метра) ниже Черного. Этот факт сильно и надолго взбудоражил ученую публику — достаточно сказать, что даже сын Дмитрия Ивановича, Владимир, серьезно занимался проектом подъема уровня Каспийского моря с помощью запруды Керченского пролива. Савич также вывел формулы для вычисления преломления световых чумой в земной атмосфере. Он составил полное руководство для использования переносных астрономических инструмента с изложением приемов наблюдения и вычисления, которое до сих пор считается одним из лучших учебников практической астрономии не только в России, но и в Германии, где обилие пособий, в том числе и современных, делает этот факт просто исключительным. В то же время прикладные исследования отнюдь не закрыли профессору Савичу дорогу к звездам: в 1851 году он, по представлению Гаусса, получает от датского короля золотую медаль за определение орбиты кометы 1585 года по материалам наблюдения Тихо Браге. Еще через год он предлагает новый и самый удобный метод определения орбит спутников планет. Стоит ли говорить, что его лекции и статьи по использованию различных приборов и маятников оказались просто неоценимы для Менделеева в ту пору, когда он возглавлял Главную палату мер и весов? На лекциях Савича к нему пришло ощущение космоса, «вещество» которого он искал до самой смерти. Вопросы всемирного тяготения, напряжения силы тяжести с каждым годом будут волновать ученого всё сильнее и станут для него по-настоящему базовыми. А полученные от Савича знания в области летосчисления послужат появлению в 1899 году весьма оригинального предложения Менделеева об изменении старого календаря.

Профессор И. О. Шиховский оставил после себя не так много ученых трудов, но лекции его охватывали все известные на то время отрасли ботаники. Он читал в университете курсы «Органография, физиология и патология растений», «Палеонтология растений», «Обозрение семейств, родов и пород петербургской флоры», «История ботаники», «Систематика растений» и даже «Обозрение растений, употребимых в хозяйстве» для камералистов. В то время ни оранжереи, ни помещения для работы с растениями в университете не было; но Шиховский устроил ботанический сад под открытым небом, где высадил до шестисот местных растений. Своими руками и с помощью студентов он, по сути, создал университетский гербарий, используя для просушки и препарирования растений крохотную комнатку в ботаническом кабинете. Он был очень энергичным исследователем, совершил много экспедиций, в первую очередь по Скандинавии. Хотя описательный метод, используемый в то время биологическими науками, вряд ли мог полностью насытить научную жажду молодого Менделеева, всё более стремившегося к эксперименту и использованию дедукции, он все-таки весьма усердно «ботанизировал», учился детально сопоставлять сходство и различие растений. Ему это было интересно.

Зоологию и сравнительную анатомию в институте читал Федор Федорович (Иоганн Фридрих) Брандт, чье имя навсегда связано с Санкт-Петербургским Зоологическим музеем, который он создал из жалких остатков петровской Кунсткамеры. Выходец из прусской Саксонии, Брандт окончил медицинский факультет Берлинского университета, увлекся было зоологией, но докторскую диссертацию защитил всё же по медицине и хирургии. Довольно успешно начав карьеру в известной берлинской терапевтической клинике, он потом продолжил ее в Санкт-Петербургской академии и университете, но вдруг в 1831 году, будучи уже экстраординарным профессором и адъюнктом академии по медицине, бросил всё ради заново вспыхнувшего интереса к зоологии. Он становится адъюнктом по зоологии и директором еще не существующего Зоологического музея и только теперь, тридцати лет от роду, в охотку начинает свою настоящую карьеру, увенчавшуюся званием академика и славой ученого, неимоверными личными трудами создавшего одну из самых богатых зоологических коллекций в Европе. Брандт имел прямое отношение к организации зоологических экспедиций на Урал, в Сибирь, Китай и еще бог знает куда, собирал изображения каспийских рыб, бразильских обезьян и множества других хорошо известных и вовсе не ведомых существ. Кроме того, ученый успел написать огромное количество трудов по зоологии, зоопалеонтологии, зоотомии и зоогеографии, был соавтором двухтомной «Медицинской зоологии» и автором «Краткого очертания сравнительной анатомии с присоединением истории развития животных». Недаром зарубежные ученые общества, включая Парижскую академию наук, считали за честь включить его в число своих зарубежных членов.

Брандт был замечательным преподавателем и педагогом, оказавшим большое влияние на молодого Менделеева, который, по некоторым сведениям, собирался работать под руководством Федора Федоровича и после окончания института. Больной студент одно лето жил на даче Брандта в Ораниенбауме, учил его сыновей. Отношения между ними были настолько тесными, что, начиная большое дело — описание фауны всей страны — и предлагая Главному педагогическому институту принять участие в этом предприятии, профессор Брандт привлек студента Менделеева к составлению документа, пола иного на сей счет в Конференцию института. Произошло это после того, как Дмитрий выполнил «Описание грызунов С.-Петербургской губернии». Вдохновленный качеством этой работы профессор намеревался теперь уже на регулярной основе использовать студентов каждого выпускного курса для изложения естественной истории одного из больших отделов животных. Для нас интересно, что это представление, подписанное и поданное академиком Брандтом, было написано рукой студента Менделеева: «…Изложение студентов, направленное мною, будет не столько книжным, сколько практическим, более сжатым или подробным, чисто историческим или прикладным, как того требует двоякая цель предполагаемого труда: обработка науки и общественная потребность…» — Очень похоже на манеру выражаться взрослого Менделеева. Конспекты лекций Брандта Менделеев хранил всю жизнь, они и сейчас лежат в его архиве; студенческая же его работа хранится в фонде 51 Архива Российской академии наук, где собраны рукописи, принадлежавшие Ф. Ф. Брандту.

Если взглянуть на годы студенчества Менделеева в свете его успехов, то они окажутся удивительно неровными. В первый год первого учебного курса, приступив к изучению предметов со второй половины и самостоятельно восполняя знания, полученные товарищами в прошлом году, он с огромным трудом смог добиться удовлетворительных оценок по большинству предметов (кроме французского языка и астрономии). Зато начиная со следующего года, когда он присоединился к принятым на первый курс товарищам и начал слушать лекции по тем курсам, которыми пытался овладеть самостоятельно да еще большей частью на лазаретной койке, дела резко выправились. По результатам года он перешел с двадцать пятого на седьмое место и заслужил репутацию одного из самых способных студентов нового курса. По всем основным предметам Менделееву были выставлены пятерки. Тройки оказались только по английскому, французскому языкам и Закону Божьему. И еще ему никак не удавалось получить пятерку по поведению, потому что в закрытом учебном заведении, куда, несмотря на экзамены, юношей все-таки «отдавали» или «помещали» родители, строго следили за каждой незастегнутой пуговицей, которых на зеленом мундире студента Менделеева обычно было предостаточно. По воспоминаниям его однокашников, этот высокий, широкоплечий студент с большой головой чаще всего ходил в полностью расстегнутом сюртуке. На старшем курсе студенты физико-математического факультета должны были избрать специальность — математику или естествознание. Дмитрий выбрал естественные науки и стал слушать лекции по химии с химической технологией, геогнозии, зоологии и ботанике. Кроме того, он посещал общие для всего института (в котором был еще и историко-филологический факультет) лекции по русскому праву и педагогике. Два раза в неделю студентам читались лекции по истории искусств. По итогам первого года старшего курса он получил по всем предметам пять или пять с плюсом. Даже поведение было оценено на 4 1/2 . Дочь институтского советника Н. М. Данилевская вспоминала, что Менделеев оказался в лазарете прямо накануне экзамена. Его больше волновала не сама болезнь, а то, что она может испортить ему каникулы. Данилевская видела, как удивился доктор Кребель, когда больной попросил разрешения отлучиться на экзамен. Кребель, всё более сомневающийся в своем диагнозе, все-таки разрешил, и Менделеев, преодолевая слабость, натянул форменный мундир. Он великолепно сдал экзамен, и товарищи проводили его обратно в лазарет аплодисментами.

Михаил Папков (пожалуй, единственный сокурсник, близкий Менделееву, предпочитавшему общаться более с профессорами, нежели со сверстниками), пораженный буквально пожиравшим Дмитрия интересом к наукам, изучаемым на обоих факультетах, вспоминал: «От такого широкого и горячего интереса… страдал его физический, организм, выражаясь кровохарканьем и расстройством нервов. Для укрепления организма он некоторое время ходил в гимнастическое заведение де Гона, принадлежавшее морскому министерству, которое давало разрешение студентам пользоваться там пассивной и активной гимнастикой бесплатно. А что нервы его были расстроены и напряжены, я могу привести характерное его выражение. По окончании вечерних репетиционных занятий, которые мы производили в специальных для того залах, распределенных по курсам и по факультетам, мы часто предлагали Дмитрию Ивановичу сыграть с нами в шахматы. Он очень любил эту игру. Однако он большей частью отказывался, говоря: «Голубчики, не могу; ведь вы знаете, что я целую ночь спать не буду»».

В 1854 году институт постигла очередная перестройка. Вводились четыре годичных курса, которые должны были быть сформированы следующим образом: лучшие из прошедших первый год обучения на старшем курсе становились четверокурсниками, а прочие составляли третий курс. Самые успешные из выпускников прежнего первого курса становились второкурсниками, а менее успешные завершали образование и получали звание уездных учителей. Первый курс набирался заново. Дмитрий Менделеев конечно же стал четверокурсником, первым в списке из четырех человек. Начался самый интересный год его учебы. Четверокурсникам почти не нужно было посещать обязательных лекций, они занимались практическими и лабораторными работами, писали сочинения и «рассуждения» на заданные профессорами научные и педагогические темы. Если на первом курсе Менделеев смог выполнить лишь две работы по русской словесности — «Описание Тобольска в историческом отношении» да еще выписку из произведений Державина и Карамзина, касающуюся особенностей языка (обе были названы в числе лучших профессорами-словесниками), то на старших курсах, кроме ранее упоминаемых работ по зоологии и минералогии (последняя была опубликована на немецком языке в издании Российского минералогического общества) и переводов с латыни (!) специальных текстов по ботанике (с целью усвоения терминологии), Менделеев написал ряд пробных лекций, которые в институте считались обязательными для подтверждения того, что студенты «соответствуют их назначению и современному состоянию наук». У профессора Брандта он подготовил лекцию «О влиянии теплоты на распространение животных», у Куторги — «Об ископаемых растениях», у Вышнеградского — «О телесном воспитании детей от рождения до семилетнего возраста». Была еще самостоятельно подготовленная молодым выпускником лекция «О школьном образовании в Китае». Все они были оценены высшим баллом, за исключением «телесного воспитания», за которую Вышнеградский, сам недавно переключившийся на преподавание педагогики, выставил странную оценку «отлично-хорошо». Работа «Об изоморфизме» продолжила его исследования в области минералогии. «В Главном педагогическом институте требовалась при выходе диссертация на свою тему, — писал в «Биографических заметках» Менделеев. — Я избрал изоморфизм, п<отому> ч<то> заинтересовался тем, что нашел сам… и предмет казался мне важным в естественно-историческом отношении… Составление этой диссертации вовлекло меня более всего в изучение химических отношений. Этим она определила много…»