Полагаться исключительно на этот заработок не приходилось, и это вынуждает его много работать дополнительно.
Он преподает физическую географию во втором кадетском корпусе и становится научным обозревателем раздела «Новости естественных наук» в «Журнале Министерства народного просвещения». За два года Д.И. Менделеев опубликовал там свыше 70 статей.
Много времени у Менделеева отнимают частные уроки, на которые приходилось отправляться в разные концы города. В эти же годы (1857-1858) он исполняет обязанности секретаря физико-математического факультета университета.
Лето 1857 г. Менделеев проводит в Финляндии, в Икати-Гови, на даче у родителей своей невесты Сонечки Каш, в прошлом жителей Тобольска. Казалось, ничто не может омрачить радужных надежд молодого влюбленного человека, но вдруг все его планы рушатся буквально за один день. Сонечка еще очень молода и наивна; дома ей не давали читать ничего, кроме сказок. Она плачет и признается своей няне, что не хочет выходить замуж, чтобы не покидать папеньку и маменьку. Отказом невесты, возвратившей ему по настоянию родителей обручальное кольцо и подарки, Менделеев был потрясен до глубины души. И это не удивительно, так как он был искренне влюблен и вообще по натуре был человеком, который в вопросах устройства личной жизни всегда был чужд каких-либо ухищрений и холодных расчетов.
В апреле 1859 г. магистра химии Петербургского университета, талантливого молодого ученого Д.И. Менделеева направляют за границу «для усовершенствования в науках». Ему предоставляется право выбрать для проживания и работы город, который будет ему наиболее удобен. Посещая многие университетские города Европы, он знакомится с видными учеными, осматривает их лаборатории, закупает оборудование, необходимое ему для исследований. В течение месяца Менделеев находится в Париже. Париж произвел на него сильное впечатление, особенно парижские рабочие. Как в этот первый приезд, так и в последующие годы Менделеев заказывал многие необходимые ему приборы у известного парижского механика Саллероне.
Для выполнения намеченных исследований Д.И. Менделеев избирает немецкий город Гейдельберг, где он снимает небольшую квартиру, в одной из комнат которой он живет, а в другой оборудует свою домашнюю химическую лабораторию. В Гейдельберге тогда работали знаменитые ученые Р. Бунзен и Р. Кирхгоф со своими многочисленными учениками. Однако Д.И. Менделеев очень недолго работал в лаборатории Р. Бунзена, так как был уже сложившимся химиком и серьезно интересовался исследованиями в области физической химии, в частности капиллярных явлений. Одним из результатов его самостоятельных работ в этой области было открытие температуры абсолютного кипения, при которой жидкость теряет свойственные ей силы сцепления и мгновенно превращается в пар. Следствием этого открытия был вывод о том, что любой газ можно превратить в жидкость, но лишь при условии, что он охлажден ниже критической температуры.
Работал Д.И. Менделеев в своей лаборатории подолгу, рассчитывая каждый час своего времени, иногда до изнеможения, до полной потери сил. И тогда в его дневнике появлялись записи, говорящие о том, что ему кажется, будто он уже не сможет работать в избранном направлении дальше. Однако проходит несколько дней отдыха в поездке за приборами или реактивами, и Менделеев опять полон сил, от прежнего неверия в свои возможности не остается и следа. Так напряженно работал он всю жизнь, потому что считал, что без полной отдачи, может быть и сказывающейся иногда на состоянии здоровья, в науке многого не достичь.
Запомнились Менделееву на всю жизнь и немногие дни отдыха, проведенные с друзьями в поездках. Особенно интересны и полезны были для него поездки в Альпы и Италию, которые он совершал вместе с И.М. Сеченовым и А.П. Бородиным.
Русская, занимавшаяся наукой молодежь, обосновавшаяся в Гейдельберге, часто собиралась на квартире Д.И. Менделеева, чтобы почитать новинки русской литературы, «Колокол» А.И. Герцена, встретиться с прибывшими из России соотечественниками. Волнения и ожидания предреформенной России передавались и им, а сам состав их дружеского круга создавал обстановку энтузиазма, веры в возможности человека, неизмеримо возрастающие с развитием и распространением научных знаний.
В 1860 г. Д.И. Менделеев участвовал в Первом Международном съезде химиков, проходившем в немецком городе Карлсруэ. Д.И. Менделеев работал на съезде плодотворно, участвовал в подготовке его решений. После съезда развитие химии во многих направлениях пошло по новому пути.
Решающими для последующих работ Менделеева оказались представления, развитые итальянским ученым С. Канниццаро, которые привели к правильному пониманию различий в употреблении понятий «молекула» и «атом» в органической и неорганической химии, различий между понятиями «атомная масса» и «эквивалент», а также к разработке новых методов определения атомных масс, главным образом металлов. Д.И. Менделеев впоследствии вспоминал, что решающим моментом в развитии мысли о периодическом законе он считает 1860 г., съезд химиков в Карлсруэ, в котором он участвовал, и идеи, высказанные на этом съезде итальянским химиком С. Канниццаро. Его Д.И. Менделеев считал своим предшественником, так как установленные им атомные массы дали необходимую точку опоры.
Возвращение на родину было волнующим. Февральский Петербург встретил холодно. Нужно было искать жилье, работу. Вакансий не было никаких: зима, разгар учебных занятий.
Много значила для него поддержка профессора А.А. Воскресенского, который летом 1861 г. рекомендует Д.И. Менделеева на свое место на кафедре химии в Инженерной академии. Воскресенский, и в прежние годы отечески относившийся к Д.И. Менделееву, став в декабре 1861 г. ректором университета, получает возможность оказывать ему более существенную помощь. Однако до начала учебного года Д.И. Менделеев мог зарабатывать на жизнь только литературным трудом.
Трудности личные усугубились осложнением обстановки в университете в связи с преследованиями революционно настроенных студентов. О размахе студенческих волнений говорит тот факт, что многие студенты были заточены в Петропавловскую крепость, а кто-то из сочувствующих им крупными буквами написал на ее стенах: «Петербургский университет».
Д.И. Менделеев, всегда остро чувствовавший пульс политических событий, но не имевший возможности активно выразить свой протест, 12 октября 1861 г. подает заявление об увольнении из университета. Однако, к счастью, друзья уговорили его взять заявление обратно.
Д.И. Менделееву была свойственна черта подлинных гуманистов: в самые трудные для себя дни оставаться добрым по отношению к другим людям, смотреть на жизнь светло, оптимистично, не брюзжать, не чувствовать себя обиженным. Ее мы находим у русских классиков, как поэтов, так и ученых. Д.И. Менделеев неоднократно отмечал, что доброе настроение – основа успехов в работе и жизни, без него невозможен творческий труд.
Первым блестящим результатом трудов Д.И. Менделеева в 1861 г., после возвращения из-за границы, стала «Органическая химия», написанная в рекордно короткий срок – за несколько недель. Прекрасную оценку этой книге дал К.А. Тимирязев: « Его превосходный по ясности и простоте изложения учебник, «Органическая химия», не имел себе подобного в европейской литературе, и, кто знает, насколько именно эта книга способствовала тому, что в этом, главным образом, направлении, двинулось вперед ближайшее поколение молодых русских химиков ».
«Органическая химия» получила на конкурсе первую Демидовскую премию, что составляло 1428 рублей, и Менделеев мог рассчитаться с долгами.
И в личной жизни ученого наступили большие перемены: веной 1862 г. Д.И. Менделеев обвенчался в церкви Инженерного училища с Феозвой Никитичной Лещевой, Они были знакомы давно, еще в Тобольске. Приемным отцом Ф.Н. Лещевой был директор Тобольской гимназии поэт П.П. Ершов.
С Дмитрием Ивановичем ее связывали дружба и длительная переписка в период пребывания его за границей. Отвечая согласием на предложение Дмитрия Ивановича, она втайне мечтала смягчить некоторые острые углы его характера, «переделать любовью». Со своей стороны Дмитрий Иванович, хотя и хорошо знал Феозву Никитичну, долго не решался сделать предложение, так как не был глубоко влюблен в нее. Помолвку ускорила его старшая сестра Ольга Ивановна, которая после смерти матери считала себя обязанной помочь брату в устройстве личной жизни.
Несмотря на несходство характеров и разницу в возрасте (Феозва Никитична была старше на 6 лет), молодые в первые годы супружества были счастливы, деля радости и горести. Летом 1862 и 1864 гг. они совершили путешествие за границу. В марте 1863 г. у Феозвы Никитичны родилась дочь Маша. Она умерла от простудного заболевания через 6 месяцев. Дмитрий Иванович находился в это время в командировке в Баку. В 1865 г. родился сын Владимир, а в 1868 г. - дочь Ольга. Впоследствии у Менделеева возникли осложнения в отношениях с женой, закончившиеся разводом. Однако Дмитрий Иванович всю жизнь заботился о Феозве Никитичне и о детях. Феозва Никитична умерла в 1906 г., за несколько месяцев до смерти Менделеева.
В первой половине 60-х годов деятельность Д.И. Менделеева была обширной. Работать приходилось в нескольких учебных заведениях, везде имея лишь по несколько часов лекционных или лабораторных занятий в неделю. Он часто бывал в университете, где работали его учителя и коллегии: Воскресенский, Советов, Пузыревский. С ними он встречался и на заседаниях химического кружка, на которых обсуждались научные новости, учебные дела. Готовился новый устав университета, который был утвержден 18 июня 1863 г. и в целом был прогрессивным. Достаточно сказать, что впоследствии, в пору реакции 80-х годов, он был отмечен как дающий слишком много свобод преподавателям и студентам. Кроме университета, Дмитрий Иванович преподавал в Технологическом институте (до 1872 г.) в Инженерной академии (до 1866 г.), в Институте инженеров путей сообщения (до 1864 г.), во втором кадетском корпусе (до 1862 г.).