Обладая многими талантами, он работал в разных областях науки, но, пожалуй, его самое известное открытие — периодический закон химических элементов.
В октябре 1863 года приват-доцент С.-Петербургского университета, магистр химии Д. И. Менделеев подал заявление на конкурс на место профессора кафедры химии Санкт-Петербургского Технологического института. 19 декабря 1863 года большинством голосов был избран. 31 января 1864 года Д. И. был утвержден Министром финансов в должности профессора химии Технологического института. С 1 февраля приступил к руководству прохождением всех разделов химии, кроме технической и заведованию химической лабораторией (и хозяйственной стороной, и руководством практическими занятиями студентов).
В Технологическом институте Дмитрий Иванович читал 6 лекций в неделю на 2-4 курсах.
Профессорское содержание позволило Менделееву отказать от других мест преподавания, кроме Университета, и больше времени посвятить научной работе. 1 февраля 1865 года он успешно защитил диссертацию на степень доктора химии «О соединении спирта с водой».
Уже 8 февраля 1864 года Учебный Комитет института обсуждал предложенные Менделеевым мероприятия по улучшению химической лаборатории: новые приборы, оборудование и увеличение штата лаборантов.
В 1865 году 31 января в Санкт-Петербургском университете Д.И. Менделеев защитил докторскую диссертацию «О соединении спирта с водою». Всё прогрессивное человечество узнало, что оптимальное содержание спирта в алкогольных напитках – 40%.
В этом же году по предложению Дмитрия Ивановича и под его руководством были выполнены в химической лаборатории продукты для представления на Московскую мануфактурную выставку.
В 1866 году Д.И.Менделеев представил Учебному Комитету ТИ мотивированное мнение о реорганизации работы профессора химии: разделить чтение лекций по аналитической и органической химии и назначить отдельного заведующего химической лабораторией.
В этом же году Дмитрия Ивановича избрали профессором по кафедре технической химии в Университете.
Учебный Комитет, по просьбе Дмитрия Ивановича, освободил его от заведования химической лабораторией, выразив благодарность «за полезную деятельность и постоянные старания к наивозможно большему научному развитию практических занятий учащихся в Институте».
С 1 сентября 1866 года Д.И. Менделеев уволен от штатной должности профессора химии Технологического института, и оставлен преподавателем органической химии при 4 лекциях в неделю, а также остался членом Учебного комитета, продолжая принимать участие в его работе.
На эти годы приходиться публикация «Основ химии» и знаменитого закона, периодической системы химических элементов.
Полностью прекратил Д.И. Менделеев чтение лекций в Технологическом институте в 1872 году.
В 1898 г. Д.И. Менделеев был председателем Испытательной комиссии (экзаменнационная) химического отделения института.
В январе 1904 года Д.И. Менделеев был избран почетным членом института. По этому поводу он написал дирекции благодарственное письмо:
«…Технологический институт был свидетелем моих первых научных трудов и уже по этому одному навсегда останется мне дорогим, а так как он дал России сонм техников, двигающих русскую промышленность вперед, то и с этой стороны дорог мне, как русскому». (31.01.1904)
23 января 1907 года Д.И. Менделеева отпевали в домовой церкви Св. Георгия в Технологическом институте. Занятия были отменены. Все студенты, люди науки провожали Д.И. Менделеева из Технологического института на Волково кладбище.
В 1908 году в институте были учреждены 6 стипендий имени Д. И. Менделеева.
В 1927 году преподаватели, сотрудники и студенты института осуществили сбор средств на создание памятника Д. И. Менделееву.
Памятник был открыт 28 ноября 1928 года перед Химическим корпусом во дворе Технологического института, в дни празднования 100-летнего юбилея института. Бронзовый бюст, скульптор М.Г. Манизер.
11 декабря 1928 года в институт поступило письмо от Начальника Главтуза ВСНХ СССР о том, что со стороны Главтуза нет возражений на присвоение химическому корпусу института наименования «Химический корпус имени Д. И. Менделеева».
В 1950-е годы на фасаде института были сделаны металлические барельефы выдающихся ученых, в том числе Д. И. Менделеева.
В 1978 году в Актовом зале института имя Д. И. Менделеева занесено на мраморную доску.
Мемориальная доска на главном корпусе института (по Московскому пр.), посвященная Д. И. Менделееву была открыта 28 мая 1982 года.