Bien que Mendeleïev ait été largement honoré par des organismes scientifiques à travers l'Europe, ses activités politiques ont inquiété le gouvernement russe, ce qui a mené à sa démission de l'université de Saint-Pétersbourg le 17 août 1890.
En 1893, il fut nommé directeur du bureau des poids et des mesures. En 1882, il reçut la Médaille Davy de la Royal Society, en 1889 le Faraday Lectureship de la Royal society of chemistry et en 1905 la médaille Copley de la Royal Society. Il mourut à Saint-Pétersburg et est enterré au cimetière Volkovo, toujours à Saint-Pétersbourg. L'élément 101 a été baptisé mendélévium en son honneur.
En plus de ses travaux sur la classification des éléments, Mendeleïev effectua des recherches scientifiques très variées. Le chimiste et historien des sciences russe L.A. Tchougaïev l'a défini comme « un chimiste de génie, physicien de première classe, chercheur prolixe dans le domaine de l'hydrodynamique, la météorologie, la géologie, certaines branches de la chimie appliquée (explosifs, pétrole, carburants...) et d'autres disciplines proches de la chimie et de la physique, un expert de l'industrie chimique et de la chimie en général, et un penseur original dans le domaine économique ». En 1869, il fut parmi les fondateurs de la Société russe de chimie. Il travailla également sur la théorie et les effets du protectionnisme en agriculture.
En 1902, dans une tentative de donner une explication chimique à l'éther, il formula une hypothèse fausse en supposant l'existence de deux éléments chimiques inertes plus légers que l'hydrogène. Le plus léger des deux était supposé tout pénétrer, et le plus lourd un nouvel élément dont l'existence était supposée à l'époque et appelé coronium (d'après le latin "corona" - couronne - parce qu'il avait cru le détecter dans le spectre de la couronne solaire).
Mendeleïev consacra également beaucoup de temps et effectua des travaux importants pour la détermination de la nature des solutions. Dans le domaine de la chimie physique, il travailla sur l'expansion thermique des liquides. Il obtint notamment une formule similaire à la loi de Gay-Lussac d'expansion des gaz. En 1861, il anticipa l'idée de Thomas Andrews de température critique en définissant la température d'ébullition absolue d'un composé comme la température à laquelle la cohésion du liquide et la chaleur de vaporisation deviennent nulles et le liquide se change en vapeur indépendamment de la pression et du volume.
Il étudia également les origines du pétrole et conclut que les hydrocarbures se forment dans les profondeurs de la Terre : "Le fait capital à noter est que le pétrole est né dans les profondeurs de la terre, et c'est là seulement que nous devons rechercher son origine".