Свои взгляды на природу растворов М. изложил в монографии «Исследование водных растворов по удельному весу» (1887), содержащей огромный экспериментальный материал. По воззрениям М., растворы — это находящиеся в состоянии диссоциации жидкие системы, образованные молекулами растворителя, растворённого вещества и продуктов их взаимодействия — нестойких определённых химических соединений. На диаграммах зависимости между составом и производной от плотности по составу (т. е. пределом отношения приращения плотности к приращению состава) М. обнаружил изломы, которые он считал отвечающими образованию химических соединений. Значительно позже (начиная с 1912) Н. С. Курнаков, исходя из идей М., создал учение о сингулярных точках химических диаграмм (см. также Физико-химический анализ). В своих взглядах на растворы М. предвосхитил теории гидратации (и вообще сольватации) ионов. Представления М. о химическом взаимодействии между компонентами растворов имели большое значение для разработки современного учения о растворах.
Из исследований М. по физике особенно важны указание на существование «температуры абсолютного кипения» жидкостей (1860—61), позднее названной критической температурой; вывод уравнения состояния для одного моля идеального газа (1874; см. Клапейрона уравнение); изучение отклонений реальных газов от закона Бойля — Мариотта при малых давлениях, для чего он разработал специальную аппаратуру. В 1887 М. совершил (без пилота) подъём на воздушном шаре для наблюдения солнечного затмения и изучения верхних слоев атмосферы.
М. — автор ряда работ по метрологии. Им создана точная теория весов, разработаны наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложены точнейшие приёмы взвешивания. При участии и под руководством М. в Главной палате мер и весов были возобновлены прототипы фунта и аршина, произведено сравнение русских эталонов мер с английскими и метрическими (1893—98). М. считал необходимым введение в России метрической системы мер. По настоянию М. в 1899 она была допущена факультативно и только в 1918 стала обязательной.
В научной деятельности М. был стихийным материалистом, признавал объективность и познаваемость законов природы, возможность использования их в интересах человека. М. писал: «... границ научному познанию и предсказанию предвидеть невозможно» (Соч., т. 24, 1954, с. 458, прим.). Он отмечал также: «... без самобытного движения немыслима ни одна малейшая доля вещества...» («Основы химии», т. 1, 1947, с. 473).
Важнейшей чертой деятельности М. была неразрывная связь научных исследований с потребностями экономического развития страны. Особое внимание М. уделял нефтяной, угольной, металлургической и химической промышленности. С 1860-х гг. он не раз приезжал для консультаций на Бакинские нефтепромыслы; был инициатором устройства нефтепроводов и разностороннего использования нефти как химического сырья. М. предложил принцип непрерывной дробной перегонки нефти, высказал (1877) гипотезу её образования в результате взаимодействия карбидов железа с глубинными водами при высоких температурах. В отчёте о командировке в Донецкую область (1888) он указал мероприятия для быстрейшего освоения природных богатств Донбасса (каменного угля, железных руд, каменной соли и др.), предсказал краю великую промышленную будущность, впервые высказал идею подземной газификации углей. Расширение разработки угольных месторождений России М. связывал с развитием производства чугуна, стали и меди; отмечал необходимость добычи хромовых и марганцевых руд на Урале и Кавказе. М. считал первоочередными задачами увеличение производства соды, серной кислоты, искусственных минеральных удобрений на базе отечественного сырья; на много лет вперёд он наметил программу освоения огромных природных богатств страны.
В работах по вопросам сельского хозяйства М. возражал против распространённой тогда «теории убывающего плодородия почвы» и считал возможным многократное повышение плодородия земли удобрениями. Основываясь на результатах полевых опытов (1867—69), М. указывал на необходимость известкования кислых почв, применения размолотых фосфоритов, суперфосфата, азотных и калийных удобрений, совместного внесения минеральных и органических удобрений. Он поддерживал начинания В. В. Докучаева (проведение почвенных обследований, организацию кафедр почвоведения и др.).
М. уделял большое внимание орошению земель Нижнего Поволжья, улучшению судоходства на реках России, постройке новых железных дорог, освоению Северного морского пути и др. крупным проблемам. Интересуясь развитием промышленности и научными исследованиями, он ездил не только по стране, но и в Западную Европу и США, знакомясь с заводами и промышленными выставками.
Передовой общественный деятель, М. ратовал за промышленное развитие и экономическую независимость России. Это отразилось и в его работе в Совете торговли и мануфактур, где он занимался разработкой нового таможенного тарифа (1889—92). Процветание страны М. связывал не только с широким и рациональным использованием её природных богатств, но и с развитием творческих сил народа, с распространением просвещения и науки. Направление русского народного образования, по М., должно быть жизненным и реальным (а не т. н. классическим), доступным для всех сословий. Особое значение М. придавал подготовке учителей и профессоров; сам был талантливым лектором и воспитателем научной смены. Учениками или последователями М. были А. А. Байков, В. И. Вернадский, Т. Т. Густавсон, В. А. Кистяковский, В. Л. Комаров, Д. П. Коновалов, Н. С. Курнаков, А. Л. Потылицын, К. А. Тимирязев, В. Е. Тищенко, И. Ф. Шредер и др. Все рус. химики конца 19 — начала 20 вв. учились по его «Основам химии».
М. вместе с А. А. Воскресенским, Н. Н. Зининым и Н. А. Меншуткиным был инициатором основания Русского химического общества (1868; в 1878 объединено с Русским физическим обществом в Русское физико-химическое общество; его отделение химии преобразовано в 1932 во Всесоюзное химическое общество им. Д. И. Менделеева; см. Химическое общество им. Д. И. Менделеева).
М. ещё при жизни был известен во многих странах, получил свыше 130 дипломов и почётных званий от русских и зарубежных академий, учёных обществ и учебных заведений (см. «Материалы по истории отечественной химии», М. — Л., 1950, с. 116—21).
В СССР учреждены менделеевские премии за выдающиеся работы по физике и химии, присуждаемые Академией наук. Имя М. (кроме упомянутых выше Всесоюзного химического общества и Всесоюзного института метрологии) носят Московский химико-технологический институт и Тобольский государственный педагогический институт. В честь М. названы: подводный хребет в Северном Ледовитом океане, действующий вулкан на о. Кунашир (Курильские острова), кратер на Луне, минерал менделеевит, научно-исследовательское судно АН СССР для океанографических исследований и др. В СССР укрепилась традиция проведения Менделеевских съездов по общей и прикладной химии (с 1907 по 1969 состоялось 10 съездов). В Ленинграде проводятся (с 1939) ежегодные Менделеевские чтения. В здании ЛГУ (в бывшей квартире М.) находится основанный в 1911 Музей и научный архив Д. И. Менделеева.
Американские учёные (Г. Сиборг и др.), синтезировавшие в 1955 элемент 101, дали ему название менделевий (Md) «... в знак признания приоритета великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал периодическую систему элементов для предсказания химических свойств тогда ещё не открытых элементов. Этот принцип явился ключом при открытии почти всех трансурановых элементов» (Сиборг Г., Искусственные трансурановые элементы, М., 1965, с. 49). В 1964 имя М. занесено на Доску почёта науки Бриджпортского университета (штат Коннектикут, США) в числе имён величайших учёных мира.