彼得堡大学虽说是当时俄罗斯的“最高学府”，但由于沙皇政府不重视科学研究，实验条件非常糟糕。门捷列夫的实验室是两间铺着石板的小房间，通风极差。他每次做化学实验，不管外面寒风怒号还是雨雪霏霏，都必须隔一会儿就离开房间到外面呼吸几口新鲜空气。实验设备更是简陋，他不得不亲自动手制造试管和橡皮接头。实验经费少得可怜，就连当时俄国最著名的化学家齐宁（1812—1880年），政府每年拨给他的实验经费也只有30个卢布！化学家们常常带着苦笑自嘲说：“实验室越简陋，实验研究的成绩越优良。”
门捷列夫生活上虽有转机，但对社会充满不平。
“我把搞科学研究工作的时间白白地浪费掉了，”门捷列夫向伏斯克列森斯基诉苦道，“一篇论文花了那么多的时间，可是稿费却很少。”
“大家都一样，德米特里·伊凡诺维奇。我在5所高等学校讲课，可是收入却微薄得可怜。在俄国进行科学研究是很困难的。很遗憾，现实就是这样的可悲。人们把我们和官吏等同看待，但是，搞科学的人不是官吏。研究人员需要自由——思想自由，行动自由。”
“有这种思想的人不久就会被投入铁窗之内，亚历山大·阿勃拉莫维奇……”
“遗憾的是，确实如此。听我的忠告，到外国去吧！在国外你可以认真地进行研究工作。那时，你就不用再为薪金的事分心而丢下主要工作了。”
不错，在此之前，门捷列夫为了引起政府和社会对科学研究的重视，在繁忙的教学和研究工作之余，又兼职主持《国民教育杂志》科学报道部的工作。他在这个刊物上发表了许多文章，例如：《关于液体玻璃和玻璃釉药及其用法》、《新染料》等。这些文章不仅运用科学知识指导了工业生产，更重要的是指出了两者的密切关系，即不发展科学，工业就不能获得进步。然而，沙皇政府对于科学的态度，不是一个区区的年轻化学副教授写写文章所能改变得了的。副教授的薪金照样不能按时支付。门捷列夫不得不决定离开他心爱的彼得堡大学，到国外去留学，以深入进行自己的研究工作。
1859年初的一天，刚从讲台上走下来的门捷列夫，仿佛背着沉重的包袱，垂头丧气地向办公室走去。一到办公室，便看到了来自教育部的一封信，拆开一看，他顿时高兴得跳起来……原来这是部里的批件，同意门捷列夫到欧洲去“在科学方面进行深造”，地点由他自己选择。门捷列夫两年前就已经向部里申请出国留学，可是没有批复的回音，他常常为此事烦恼。这突如其来的消息，使门捷列夫心头的阴霾顿时消散。他急忙向伏斯克列森斯基教授那儿跑去。
“老师，我出国的事批下来了。”门捷列夫匆匆忙忙地向伏斯克列森斯基教授汇报。
“多长期限？到哪个国家？我亲爱的！”
“期限两年，地点自己选。”
“杜马在巴黎工作，李比希在基森，凯库勒在根特……”伏斯克列森斯基迟疑了一会儿说，“我看普鲁士的海德堡不错，海德堡大学不仅有比彼得堡大学完善得多的实验条件，而且还有许多大科学家在那里工作，如本生（1811—1899年）、基尔霍夫（1824—1887年）和卡利乌斯（1829—1875年）等。他们都是第一流的科学家和实验能手。”
在老师的指导和关怀下，门捷列夫选定了普鲁士的海德堡。一个月后，他来到海德堡大学。本生十分亲切地接待了他，并当即在自己的实验室里给他提供了位置。门捷列夫想先从定量测定化合物中的原子结合强度入手，方法是测量物质的某些常数，首先是测量液体的表面张力和测定毛细常数。于是他便着手做起实验来。
门捷列夫的研究目标相当远大，5年前在撰写大学毕业论文时就曾提到研究化学元素之间的相互联系。今天具体干起来，他则想从定量测定化合物中的原子结合强度入手。他写信给国内母校的老师说：“我确信，如果不知道分子内聚力的大小，就不可能解决关于化学反应原因的问题。因此我选择了这个很少有人研究过的课题。”
然而，门捷列夫刚开始工作，就遇到了麻烦。在他旁边做实验的卡利乌斯正忙着制取硫的有机化合物，不时地冒出比臭鸡蛋还要难闻的气味，使门捷列夫头痛异常，咳嗽时而发生。另外两位大科学家本生和基尔霍夫，此时正集中精力研究用光谱分析的方法发现新元素，也顾不上照应从俄国来的青年化学家。于是，门捷列夫利用自己所领到的有限出国费用，到巴黎、波恩购置了一些必需的实验设备和化学试剂，回到海德堡。他将自己的两间住房腾出一间，建起了一个小小的实验室。
门捷列夫终于在自己的实验室里工作了。实验计划本身是创造性的，买来的仪器往往不够用，门捷列夫就自己动手设计制造。童年时代在玻璃工厂获得的知识帮助了他。有一种根据门捷列夫设计制成的比重瓶，由于能精确地测量液体的比重，获得了广泛的应用，后来被人们称为“门捷列夫比重瓶”。
那时，在海德堡有许多俄国科学家和政治侨民。门捷列夫和同胞们保持着密切的联系。“霍夫曼公寓”是团结这些远离俄国的人们的一个独特的中心。主人卡尔·霍夫曼是海德堡大学的副教授，从前在莫斯科呆过。他的妻子索菲亚·彼得罗夫娜是一个出色的女主人。她不仅会做一手好菜，像俄罗斯人那样慷慨地款待客人，而且还善于创造一种无拘无束的家庭气氛。每天午饭后，海德堡大学的见习生、青年化学家鲍罗丁就坐在钢琴旁，使室内充满了门捷列夫童年时就熟悉的民歌旋律。鲍罗丁酷爱音乐，他把自己的朋友也引入了这一美妙而欢快的境界。他们常到邻近的城市去看歌剧或听音乐会。门捷列夫和鲍罗丁还数次到意大利、瑞士作短期旅行。
他们常常在亚·伊·赫尔岑的堂妹塔姬雅娜·彼得罗夫娜·帕谢克家中聚会。在这里，他们谈论俄国，憧憬它的美好未来……门捷列夫渐渐地成了这个小圈子的中心人物。
在这里门捷列夫生活得很开心，这无形中给他的科研工作带来了新的活力。所以门捷列夫在海德堡的工作效率特别高。
在测定化合物分子内聚力的大小时，门捷列夫巧妙地利用了液体的毛细管现象。因为毛细管中液体水平面之所以上升，是由于在液体分子之间以及液体分子与管壁分子之间有内聚力（后者现称为附着力）的缘故；这种互相吸引的内聚力，能使毛细管液柱上升到一定高度。他在海德堡写的第一篇论文《论液体的毛细管现象》中指出：“液体密度与毛细管中液体上升的高度之乘积，可以作为测量内聚力大小的尺度。”实验中，门捷列夫将插有毛细管的液体进行加热，毛细管液柱明显地下降了。他由此得出结论：分子内聚力是可以通过加热逐渐减弱，直至完全消失的。当内聚力等于零时，液体就要成为没有内聚力的形态——气体，即变为蒸气。
当时，科学家们对于某些气体的液化有一个普遍感到伤脑筋的问题。他们用增压的方法，使一些气体液化成功，可是对于氧气、氮气、氢气等，无论怎样增加压力，甚至采用超高压，都无济于事，以致只好称它们为“永久性气体”。门捷列夫解决了这个难题，指出：“任何液体在某个温度下都能变成蒸气，而且不管压力增高还是降低，气体仍然还是气体。这个温度也就叫做绝对沸点温度（现在通称为‘临界温度暞）。”
他将自己的研究成果，写成了两篇新的论文：《论液体的膨胀》和《论同种液体的绝对沸点温度》。论文明确指出：当气体的温度高于临界温度时，无论施加多大压力，都不能使它变为液体。“如氧气、氮气、氢气这些气体之所以不液化，就是因为实验是在高于其绝对沸点温度的条件下进行的。只要把它们冷却到低于绝对沸点温度，就有希望液化成功。”后来，科学家们遵循门捷列夫所示的方法，使气体冷却到临界温度以下，果然毫无例外地取得了各种液态的气体，如液态氧、液态氮、液态氢等。
1860年，金秋时节，在化学界崭露头角的门捷列夫，同齐宁等人一起，参加了在卡尔斯鲁厄市举行的第一次化学家国际会议。这是化学家的首次世界性代表大会，它在化学史上具有里程碑意义。卡尔斯鲁厄会议之前，化学家们大都各行其是，元素符号、分子式书写等一片混乱。所以会议一开始，就发表了一份宣言，规定会议的任务是：用讨论的方法消除某些误解并促使各种意见趋于统一。
卡尔斯鲁厄会议开得很成功。在这次会议上，统一了化学元素的名称（命名），即规定采用该元素拉丁文名的第一个字母，如氧（Oxygenium）为O，氢（Hydrogenium）为H，碳（Carbonium）为C；有的元素第一个字母相同，则加上第二个字母，如钛（Titanium）和钽（Tantalum）分别为Ti和Ta；前面两个字母都相同，则用第一和第三个字母表示，如砷（Arsenium）和银（Argentum）就用As和Ag来表示。会议还对原子、分子、化合价和原子量等许多化学概念进行了讨论，取得了比较一致的意见。
门捷列夫在这次国际化学盛会上，结识了不少当时著名的化学界人士，听到了许多精彩的学术报告，从而大大开阔了学术视野。与此同时，门捷列夫也成了化学界的后起之秀和备受推崇的青年化学家。
