1 мая 1850 года он подал прошение и выдержал приемные испытания. Видимо, проходной балл был в те годы невысок: набрав всего 3,22 балла, Митя был принят в институт. Ради курьеза отметим: на этих испытаниях по нелюбимой им латыни он получил 4, а по любимой математике и физике соответственно 3 и 3+. 9 августа министр народного просвещения утвердил решение конференции, и Дмитрий Менделеев стал студентом.

Это долгожданное, страстно желанное событие в одночасье сняло с Марии Дмитриевны страшное напряжение. Она будто выполнила предназначение своей жизни: поставить будущего гения русской науки на дорогу, которая должна была привести его к славе. И можно только поражаться, как быстро угасла после этого ее жизнь. Она умерла 20 сентября 1850 года, всего 57 лет от роду. Через 18 месяцев после смерти матери от скоротечной чахотки умерла Лизонька, и весной 1852 года Митя Менделеев остался в Петербурге один. И как завет на всю предстоящую жизнь звучали в его ушах последние слова матери: «Настаивай в труде, а не в словах».

В старости, вспоминая поступление в институт, Менделеев писал, что его особенно поразила одна деталь приемной процедуры. У каждого поступившего была взята расписка в том, что он по окончании курса обязывается прослужить не менее двух лет за каждый год учения в институте там, куда направит его учебное ведомство. Это требование сильно поразило Митю. «Очень я хорошо помню, что в те 16 лет, которые прожил до поступления в Главный педагогический институт, никаких я никому расписок… никогда не давал. А тут заставили всю расписку самому написать. Оно, во-первых, удивило, во-вторых, было как-то лестно чувствовать себя уже решающим свою судьбу; а в-третьих, заставило много и не раз подумать в самом начале о том, что каждому из нас предстоит».

Менделееву и семерым его товарищам, принятым в институт в неурочный 1850 год, было предложено решить, за сколько лет они желают закончить полный курс: за три или за пять. В первом случае, пройдя самостоятельно курс предыдущего года, они могли присоединиться к студентам, принятым в 1849 году. Во втором — присоединиться к тем, кого примут в 1851 году, и снова прослушать вторую половину первого курса. Единственный из всех принятых в неурочный год, Дмитрий решил пройти курс вторично. И результат не замедлил сказаться. Если весной 1851 года среди 28 своих сверстников он по успехам в учебе был всего лишь двадцать пятым, то спустя год стал уже седьмым. А в 1853/54 году о нем уже говорили как о самом одаренном студенте Главного педагогического института.

Биографы Менделеева не перестают дивиться быстроте, с которой шалун гимназист, порой переходивший из класса в класс лишь по снисходительности педагогического совета, превратился в серьезного, работящего студента, искренно увлеченного наукой. Если у гимназиста Мити Менделеева предметы делились на любимые и нелюбимые, то у студента Дмитрия Менделеева нелюбимых предметов нет. Первенствуя в физике и химии, увлекаясь чистой математикой, он с равным интересом изучал биологические науки, поражая профессоров зоологии и ботаники своими успехами. Будучи студентом физико-математического факультета, он интересовался и науками, проходимыми на историко-филологическом факультете, всегда находя время, чтобы быть на лекциях профессоров этого факультета. Сверх того он интересовался гальванопластикой и посещал гальванопластическую мастерскую Академии наук.

В этот период отношение Менделеева к учению начинает выходить за рамки понятия, определяемого словом «учение». Это была какая-то ненасытная алчба знаний. И эта необузданная работа мозга породила такую нагрузку, какой не мог выдержать неокрепший юношеский организм…

Митя начал прихварывать со дня приезда в Петербург. У него болела грудь, он сильно кашлял. А осенью 1851 года открылось кровохарканье — грозный симптом чахотки. Болезнь прогрессировала, и в январе 1853 года Дмитрий Иванович слег. Рядом с ним в институтском лазарете лежал студент Бетлинг, больной туберкулезом. И как-то раз, когда директор с институтским доктором Кребелем обходили лазарет, Кребель, полагая, что больные крепко спят, довольно громко сказал: «Ну, эти двое уже не встанут». Слова врача, которые для Дмитрия Ивановича и так уже имели весьма зловещий смысл — его отец и три сестры умерли от чахотки, — приобрели значение смертного приговора после того, как умер Бетлинг. По рапорту Кребеля конференция педагогического института направила министру народного просвещения ходатайство о переводе Менделеева по состоянию здоровья в Киевский университет. Но благословенная сила духа спасла Менделеева если не от смерти (позднее выяснилось, что у него была не чахотка, а не очень опасный порок сердечного клапана, не помешавший ему дожить до 73 лет), то от превращения в человека, неспособного интересоваться наукой из-за болезненной чуткости к ничтожнейшим отправлениям своего организма.

Вместо того чтобы предаваться мрачным мыслям и отчаянию, Дмитрий Иванович обратился к Кребелю с просьбой дозволить ему держать очередной экзамен. Доктор удивился, но разрешение дал. Преодолевая слабость, Менделеев встал, облачился, как полагалось по правилам, в парадный мундир и блистательно сдал экзамен. Когда после этого он побрел обратно в лазарет, товарищи устроили ему овацию — первую, но далеко не последнюю овацию в его жизни.

В архиве Менделеева не сохранилось документов о том, чем кончилось ходатайство института о его переводе в Киев. По всей видимости, он превозмогал болезнь. Но состояние здоровья Менделеева в годы его учения все время оставалось неважным, причиняло ему немало расстройства и хлопот. Он даже вынужден был отказываться от любимого своего развлечения — игры в шахматы. «Голубчики, — говорил он жалобным голосом приглашавшим его друзьям, — не могу; ведь вы знаете, что я целую ночь спать не буду».

Горячий интерес Дмитрия к наукам не остался незамеченным со стороны преподавателей Главного педагогического института. Все эти очень разные люди с одинаковой готовностью помогали Дмитрию, хотя его трудно было назвать тихим, покладистым студентом. Скорее наоборот, он был нервным, страстным и резким юношей. Но рано и мощно проявившаяся одаренность — это такая сила, которая не только самого человека движет к поставленной цели, но и других побуждает помогать, невзирая на непокладистость его характера. И эта, в сущности, бескорыстная поддержка, которую окружающие оказывают таланту, зиждется на бессознательно возникающей уверенности в том, что труды и хлопоты, потраченные на такого человека, падают на благодатную почву и не пропадут даром. Пожалуй, именно в этом чувстве секрет того благорасположения к студенту Менделееву со стороны большинства профессоров Педагогического института.

Сам Менделеев прекрасно понимал, что без такой доброжелательной поддержки он никогда не смог бы стать тем, кем он стал, поэтому он навсегда сохранил чувство глубокой признательности к своим учителям и к учебному заведению, взрастившему его. «Я сам обязан Главному педагогическому институту всем своим развитием, — писал он много лет спустя. — После первого же года вступления в него со мной приключилось кровохарканье, которое продолжалось и во все остальное время моего там пребывания. Будь я тогда стипендиатом или вообще приходящим слушателем, я бы лишен был всякой возможности удовлетворять возбужденную жажду знаний, а там все было под рукой, начиная от лекций и товарищей до библиотеки и лаборатории, время и силы не терялись на хождение в погоду, ни на заботы об обеде, платье и тому подобное.

…Огонь в нашем очаге не тух от избытка топлива, а мог только разгораться под влиянием не только профессоров и товарищей, не только удобств для притока всего того кислорода, нужного для научного горения, который доставляли рядом со спальными и жилищными помещениями находящиеся лаборатории и библиотеки, но и того общего напряжения или пыла, который установился в Главном педагогическом институте».

Говоря об «общем напряжении или пыле, который установился в Главном педагогическом институте», Дмитрий Иванович имел в виду группу студентов, чрезвычайно серьезно готовившихся к будущей преподавательской деятельности. Много и систематически работая в течение учебного года, эти студенты свысока относились к тем, кто специально готовился к экзаменам, и демонстрировали свое превосходство тем, что ночи напролет играли в карты в самый разгар экзаменационной сессии.