Позже Дмитрий Иванович вспоминал: «Когда я впервые увидел ее, это было весной 1877-го года. К нам приехала погостить сестра Катенька вместе с детьми. В тот день я работал и поначалу не замечал шума в гостиной. Кто-то играл на рояле Бетховена… Играла 17-летняя подружка сестры — Аня Попова — русые косы до пят, румянец на щеках. Она была так непохожа на всех девушек, которых я встречал раньше. Приехала поступать в Академию художеств. За ужином мне стало так хорошо, так тепло рядом с ней, но нужно было готовиться к лекции, и я вновь остался один на один со своими рукописями и книгами».
Он хочет развестись, развод затягивается, Дмитрий Иванович в отчаянии, он задумывается о самоубийстве. В это трудное время ему сильно помог друг — профессор Андрей Николаевич Бекетов — тому удалось уговорить жену Менделеева на развод. 1 марта 1869 года сыграли новую свадьбу. В браке один за другим родилось четверо детей: Любовь (1881), Иван (1883) и в 1886 году — близнецы Мария и Василий. Люба родилась почти сразу же после того, как был оформлен развод и Дмитрий Иванович с Анной обвенчались, формально ее не могли признать законнорожденной. Поэтому «благодаря блестящему положению в обществе моего отца», как пишет сама Любовь Дмитриевна, дату ее рождения сдвинули в метрике на полгода вперед, с декабря — на июнь.
Анна Ивановна училась живописи в Риме, где и сделал ей предложение Менделеев, позже путешествовала вместе с ним по Италии, Франции, Испании, в Биарице, на берегу океана, где «во время прилива волны достигали нашего балкона». Она так и не стала известной художницей, но домашний театр стал ее любимым детищем, она была в нем не только декоратором, костюмером, гримером, но и режиссером, отдавала этой затее много сил. Может быть, потому, что семейная жизнь — увы! — не ладилась.
Д.И. Менделеев
А.И. Попова
Анна давно ревновала Дмитрия Ивановича к первой жене, к ее детям. Именно по ее настоятельной просьбе Менделеев в начале 1880-х годов построил в Боблово новый дом по собственному проекту — ей казалось, что в старом доме слишком многое напоминает о его прежней хозяйке. А Дмитрий Иванович писал о первой жене: «Она любила меня всю жизнь и жертвовала собой всегда. Все как я хочу, все для меня. Я чувствовал себя виноватым. Но что делать? Я никогда не разделял ее чувств и долгие годы искал счастья в занятиях наукой. Если б не Феозва — я б не сделал открытий, принесших мне признание всего ученого мира». Дочь Ольга так и не смогла простить отца, Володя — первый и любимый сын, стал морским офицером и редко бывал у Менделеевых. Он умер в 33 года, это случилось в конце 1898 года, и Дмитрий Иванович чувствовал себя все более и более одиноким.
А впрочем, знавшие его близко люди вспоминали, что «Дмитрий Иванович так любил своих детей, что всякую небольшую услугу или заботу о них ставил очень высоко».
Анна Ивановна любила Боблово так, как может любить его только художник. В мемуарах она пишет: «В Бобловской местности есть что-то цельное, законченное, как в произведении талантливого художника; ничего не хотелось бы изменить, прибавить, убавить или переставить. Местность гористая — три больших горы: Бобловская, Спасская и Дорошевская. Между ними в долине извивается река Лотосня с лугами и лесами. Плавная линия этих холмов с рекой, с широким горизонтом, дает какое-то былинное настроение. Усадьба наша стояла наверху Бобловской горы в парке. К ней подъезжали с одной стороны по вязовой аллее, а с другой — по березовой. Перед домом был цветник и фруктовый сад. Особенно хороша была сиреневая аллея с ронкилями, ирисами, нарциссами и красными и розовыми пионами… Я любила ходить по Бобловским окрестностям, и какие разнообразные были эти прогулки: то старый, старый лес Манулиха, то молодой Горшков, то поля, луга, река и мельница, за которой мы купались в Лотосне. Лотосня неширокая река, но довольно глубокая, местами красиво поросшая водяными лилиями, кувшинками и незабудками. Дорога к реке шла березовой рощей, которой так любовался Архип Иванович Куинджи, когда был у нас в Боблове. И все-таки я не сразу узнала все уголки нашей местности. Только в последние годы, уже после кончины Дмитрия Ивановича, я сделала случайно археологическую находку. Верстах в семи от нас находилось Шахматово, именье А.Н. Бекетова, где он с женой, дочерьми и внуком Александром Блоком проводил лето. Мы друг у друга бывали. Дорога шла березовой рощей, через реку, мимо мельницы, церкви и деревни Тараканово. По ту сторону реки стояла другая церковь, окруженная рощей, мимо которой я столько раз ходила».