Учившийся курсом младше М. А. Папков оставил такие воспоминания: «Лишь только я огляделся по поступлении в институт, я сблизился с Дмитрием Ивановичем. Меня поражало его пристрастие к высшей математике несмотря на то, что он ясно обнаруживал себя физико-химиком. К биологическим наукам она выражал также большое расположение. <…> Однако он не ограничивался науками этого факультета и интересовался науками, проходимыми на историко-филологическом факультете, так как он успевал выбрать время, чтобы быть на лекциях профессоров и того факультета. Кроме того, он посещал мастерскую гальвано-пластических работ, устроенную в здании Академии наук».
«От такого широкого и горячего интереса к наукам, — продолжает М. А. Папков, — страдал его физический организм, выражаясь кровохарканьем и расстройством нервов».
К этому времени рядом уже не было заботливой матушки Дмитрия. Устроив сына, она поселилась с дочерью в наемной петербургской квартире и, как это нередко бывает с людьми ее типа, оставшись без забот и хлопот, без настоятельного дела, которое требовало от нее энергии, она расслабилась. Подхваченная ею простуда привела к смертельному исходу. Она скончалась 20 сентября 1850 года, 57 лет от роду. А 18 марта 1852 года в той же Мариинской больнице, где умерла Мария Дмитриевна, чахотка унесла жизнь Лизаньки Менделеевой.
Дмитрий тоже едва не отправился следом за сестрой. Петербургский климат для него, сибиряка, был непривычен и вреден, а усиленные занятия слишком утомляли. В январе 1853 года он слег, и потом вспоминал, как институтский доктор Кребель приговорил его к смерти. Обходя вместе с директором института лазарет, доктор остановился возле кроватей Менделеева и студента Бетлинта и, думая, что больные спят, довольно громко сказал своему спутнику: «Ну, эти двое не встанут». В отношении Бетлинта скорбный прогноз оправдался. А 19-летнего Менделеева, может быть, высшие силы сочли нужным сохранить для будущего. Здоровье его пошло на поправку, а руководство института оправило ходатайство министру народного просвещения о переводе способного студента в один из южных университетов (Харьковский или Киевский), где он мог бы при действии благоприятного климата восстановить свои силы. Но, проведя лето на даче у знакомых, Дмитрий от перевода отказался: он сжился с товарищами, дорожил налаженной работой с успевшими узнать его педагогами и опасался, что в других городах не найдет такой прекрасной профессуры, какая была собрана в Главном педагогическом институте.
На старшем курсе студенты делились по специальностям на математиков и естественников. Менделеев, выбравший естественные науки, должен был слушать химию с химической технологией, геогнозию, зоологию, ботанику, а также русское право и педагогику, которые читались одновременно студентам старшего курса обоих факультетов. Два раза в неделю по полтора часа преподавались искусства. Лекций было немного, но зато было много другой работы: практические занятия в лаборатории по аналитической химии, сочинения на темы, задаваемые профессорами, и т. п.
Первый год старшего курса Менделеев окончил с одними пятерками. Успехи выглядят тем более поразительными, что из-за болезни он часто попадал в лазарет, но и там продолжал занятия. Дочь институтского советника Н. М. Данилевская сохранила для потомков такую историю, относящуюся, вероятно, к 1854 году. Перед одним из экзаменов Дмитрий опять был болен и лежал в лазарете. Однако откладывать экзамена до осени он не желал и просил доктора Кребеля дозволить ему держать экзамен. Тот удивился, но разрешил. В день экзамена, несмотря на болезненное состояние, Менделеев встал, оделся в мундир, как требовалось правилами, и сдал экзамен успешно. Когда после этого он возвращался в лазарет, товарищи проводили его аплодисментами.
К 1854 году относится первая научная публикация Менделеева. Статья «Химический анализ ортита из Финляндии» — это, по существу, говоря современным языком, курсовая студенческая работа. Но анализ минерала был сделан так отлично, что его результаты поместили на немецком языке в издании Минералогического общества. Публикация была замечена шведским минерологом Норденшильдом, с которым Менделеев вступил в переписку.
Титульный лист диссертации Д. И. Менделеева, представленной при окончании Главного педагогического института. 1856 г.