В Аремзянке прошли ранние годы Мити. Он рос на лоне природы, не зная стеснений, играл со сверстниками — детьми местных крестьян и заводских рабочих, по вечерам слушал сказки няни и рассказы доживавшего у них свой век старого солдата о героических походах А. В. Суворова. Стоит заметить, что впоследствии портрет Суворова висел у Д. И. Менделеева в кабинете, в ряду портретов тех деятелей, которых ученый особенно почитал.
Вспоминая свои детские годы, Дмитрий Иванович говорил, что мать воспитывала его примером и любовью. Она его не наказывала, но когда он огорчал ее какими-нибудь шалостями или непослушанием, только плакала, и это было для него самым тяжким наказанием.
Тем временем старшего сына Менделеевых Ивана определил в благородный пансион при Московском университете и взял на себя оплату его содержания дядя Василий, дочери Ольга и Екатерина вышли замуж, расходы семьи уменьшились, и Мария Дмитриевна посчитала, что ради младших детей, которым предстоит учеба в гимназии, надо сократить хлопоты по заводу, проводить больше времени в Тобольске. Митя не отставал в развитии от старшего на два года Паши, в пять с половиной лет уже умел читать и писать, в шесть — удивлял взрослых способностью считать, а в семь был вполне готов к поступлению в гимназию вместе с Пашей, хотя туда и с восьми-то лет принимали в исключительных случаях. Его все-таки приняли. Но, как вспоминал потом Дмитрий Иванович, «с условием, чтобы в 1-м классе я пробыл непременно 2 года. Учился я тогда, кажется, не худо, но по малолетству так и остался в 1-м классе на два года. Переходил затем без задержек и кончил 15-ти лет».
Окончивший гимназию годом раньше Павел уехал в Омск, где жила с мужем сестра Екатерина, и поступил там на службу, а Митю же в 1849 году Мария Дмитриевна решила увезти из Тобольска, чтобы непременно дать ему высшее образование.
Тобольская гимназия, в которой учился Д. И. Менделеев. Вторая половина XIX в.
Старшенький Ванюша мать огорчил. В 15 лет он был исключен из университетского пансиона «за дурное поведение». Живя на средства богатого дяди, образ жизни которого не оставлял времени приглядывать за племянником, Иван попал в дурную компанию, ударился в разгул и сошел с намеченного для него пути. Вернувшись в Тобольск, он доучивался в гимназии, после чего удовлетворился службой в том же Омске. Но для последыша Митеньки, которого, по собственному признанию Марии Дмитриевны, «она любила паче всех», матери хотелось большего.
Последние два года тобольской жизни несчастья преследовали ее. Болел, слабел и в октябре 1847 года скончался Иван Павлович. Не успела оправиться после смерти мужа, как в январе 1848 года умерла дочь Полинька — ей было 26 лет. Полинька была религиозной фанатичкой, членом какого-то тайного общества, в котором за высшую добродетель почиталось изнурение плоти. Вот и доизнурялась… После ее похорон начала хворать дочь Лизанька, измученная горем и бессонными ночами ухода за больными. А летом 1848 года сгорел заводик вместе со складами, где хранились материалы и готовая посуда. Вскоре в Тобольске открылась сильная холера, начались волнения. Мария Дмитриевна не имела сил, чтобы сразу после пожара приступить к восстановлению завода, а когда в декабре новый пожар истребил и конторские строения, московский братец сказал, что вообще не нужно ничего восстанавливать. Во всяком случае, денег на это он не даст.
Ничто теперь не могло задержать Марию Дмитриевну в Тобольске после окончания Митей гимназического курса. На свой страх и риск она с Митенькой и Лизанькой едет в Москву, чтобы определить последыша в университет. Хлопоты ее, однако, не увенчались успехом: по тогдашним правилам выпускники гимназий имели право поступать в университет лишь своего учебного округа, а Тобольская гимназия относилась не к Московскому, а к Казанскому округу. Ехать же в Казань Мария Дмитриевна не желала, так как там у нее не было ни родных, ни знакомых.
Василий Дмитриевич предложил сестре определить племянника на службу в канцелярию губернатора: связи позволяли. При этом он указывал на себя и на старших братьев Дмитрия, которые успешно служили и не получив высшего образования. Но Мария Дмитриевна была непреклонна в своем решении. Потерпев неудачу в Москве, она решила искать счастья в Петербурге.