对于举目无亲又无财产的门捷列夫来说，学校就是他的家。
彼得堡师范学院是一所国立高等学校，附属于彼得堡大学，由历史、语文与物理数学系组成，学生只有一百来名，大部分教授由大学部派来兼任，像化学家伏斯克列森斯基（1809—1880年）、物理学家楞次（1804—1865年）和数学家奥斯特洛格拉德斯基（1801—1861年）等不少著名学者都在这里执教。由于学生少，即使是著名学者也只教四五个大学生，最多的也不过10名，因此，他们对于每个青年学生都能给予极大的关注。
门捷列夫刚入这所学校时，由于中学是在托博尔斯克那个小地方读的，基础打得不够好，所以第一学期的学习成绩在班里名列倒数第四。但他毫不气馁，通过孜孜不倦的努力，很快便后来居上了。
在学习方面给予门捷列夫最大帮助的，是化学教授伏斯克列森斯基。他后来回忆这位老师时说：“别人谈论的往往是科学事业中的巨大困难，而伏斯克列森斯基教授却常常教导我们：‘馅饼不是从天上掉下来的。暞”伏斯克列森斯基讲课时的那种真实淳朴的诱导、幽默的启发和经常鼓励大家独立思考的教法，吸引了许多青年大学生。正是受他的影响，门捷列夫才对化学发生了浓厚的兴趣，进而走进化学王国的辉煌殿堂。
如果说彼得堡师范学院为门捷列夫提供了从事学术研究的基础条件，那么伏斯克列森斯基便无愧为门捷列夫从事化学研究的领路人。
虽然彼得堡师范学院的学生享有免费食宿的待遇，但是这所学校对学生的管理却相当严格，制度几乎与兵营相同。学生即使获准进城，也只能呆很短的时间。为了赶上同班的同学，门捷列夫一方面要努力自学第一学年的课程，同时，他还需要上新课和做新课的作业。精神的极度紧张影响了这个年轻人的健康。他大学三年级时，身体就垮了：食欲不振，面容消瘦，咳嗽不止，甚至连听到早晨起床的钟声也成为一种痛苦。门捷列夫不得不到学校的医院去看病。
“四肢无力。每天早晨起床后，我用冷水擦脸，不仅没有清醒的感觉，反而耳中还嗡嗡地响，干咳加剧……”
老医生仔细地听了病人的叙述，皱起眉头。
“咳血吗？”
“偶尔有。”
“住院吧，小伙子。别那么悲观地看着我，为了不被同学们拉下，我允许你继续学习。”
听罢老医生语重心长的劝说，门捷列夫只好接受了医嘱，然而他不知道自己患上了肺病。
当时，肺病是不治之症，所以校务会议决定，让他转到基辅大学去学习，因为那里的气候温和湿润，有利于他的健康。但是，门捷列夫重视伏斯克列森斯基教授等人在科学上的帮助和友谊，没有离开彼得堡。他躺在校附属医院的病床上，医生们把他当作濒死的病人来护理，甚至干涉他在床上翻身。面对这一切，门捷列夫非但没有过分保养自己的身体，反而把书本纸笔弄到病房里，一天也没有停止过学习和研究。医生和护士对于这个病人的不屈意志甚为惊讶，最后只好听之任之，让他回到教室去学习。
说来也奇怪，门捷列夫竟然康复了！也许是他的毅力战胜了病魔，也许是科学的需要，才使他绝路逢生。
1854年，还不满21岁的门捷列夫在伏斯克列森斯基教授的指导下，完成了一篇研究论文《芬兰褐帘石的化学分析》，这是一篇分析一种矿石化学成分的论文。伏斯克列森斯基教授读后，大为赞赏，在上面写下了这样的评语：“这一分析做得很出色！值得登在俄罗斯矿物学会的会刊上。”论文发表后，门捷列夫异常兴奋……兴奋中他又完成了第二篇有关分析矿成分的论文：《从鲁斯基拉到芬兰的辉石》。不久，他又开始研究同晶现象，为自己的毕业论文做准备。
同晶现象是指一种化合物中的元素被相似元素代替时，其结晶形式不变的现象。比如，甲元素与乙元素性质相似，那么，甲元素的化合物的结晶形式就同乙元素的化合物的结晶形式相同；反过来，由两种化合物的结晶形式的相同，同样也可以推知组成它们的某两种化学元素的性质是相似的。门捷列夫在彼得堡师范学院的实验室里，调配制成了许多种物质的结晶体，并把它们同天然矿物标本作了比较。他还将一种物质的结晶体，如甲元素化合物的晶体，浸在与它属于同晶物质的另一种物质的饱和溶液中，如浸在乙元素化合物的饱和溶液中，结果，在甲元素化合物的晶体外层，凝结了乙元素化合物的结晶体。它们结合得那么天衣无缝，酷似果肉与果核。门捷列夫以极其浓厚的兴趣实验着，观察着……终于在1855年以这一研究成果写成了自己的毕业论文：《论同晶现象与结晶形状及其组成的关系》。
许多年以后，他在汇编自己的科学著作时写道：“师范学院要求提出自己的毕业论文题目时，我选择了同晶现象。我觉得这个题目在自然科学发展史上有重大意义。写这篇论文，使我对化学研究工作发生了更加浓厚的兴趣，论文本身也因此包含了更多的内容。”
如果说门捷列夫当时就开始了探寻元素周期律的工作，那自然使人大惑不解。但是，他在研究同晶现象时，确实曾努力获得关于同晶物质的各元素之间相互联系的概念，并正确地认识到，发现这些关系就是研究化学的一项极其重要的任务。后来，创立了元素周期律的门捷列夫不止一次地强调，他最初的研究工作对于发现元素周期律的意义：“同晶现象也就是各种不同物质形成同样结晶形状的能力，这是同族化学元素的一种典型属性。”
一个普通学校的大学生，竟在读书期间取得了如此辉煌的研究成果，真叫人不敢相信。更令人折服的还是这些成果是他与病魔作斗争的同时取得的。的确，门捷列夫直到大学毕业，肺病还尚未痊愈。