Przyszły wielki chemik przyszedł na świat w 1834 r. w zachodniosyberyjskim mieście Tobolsku. Był najmłodszym z 17 dzieci Iwana Pawłowicza, ociemniałego nauczyciela literatury i dyrektora gimnazjum, który, jak przypuszczają niektórzy historycy, został zesłany na Syberię za działalność polityczną, i Marii Dmitrijewny (z domu Korniljewej) – osoby niezwykle pragmatycznej i przedsiębiorczej, która po śmierci męża postanowiła utrzymać rodzinę z własnej działalności gospodarczej. Uruchomiła i prowadziła z wielkim powodzeniem hutę szkła. Przyglądanie się procesom produkcji i wyrobu szkła bez wątpienia przyczyniło się do rozbudzenia młodzieńczej fascynacji Dmitrija chemią. Niestety, huta spłonęła w 1849 r. Rodzinne miasto Dmitrija, syberyjski Tobolsk, było miejscem zsyłki dla wielu przeciwników caratu i ludzi o bardzo liberalnych poglądach. Jeden z zesłańców, który był dekabrystą, ożenił się nawet z siostrą Mendelejewa. I to prawdopodobnie pod jego wpływem ukształtowały się silnie liberalne poglądy przyszłego naukowca. W 1849 r. Mendelejew wyjechał na studia do Sankt Petersburga.