Юный Менделеев учился в гимназии неважно, особенно плохо ему давались латынь и немецкий. Случалось, Дмитрий подбивал свою сестру Машу, вышедшую замуж за преподавателя тобольской гимназии, разузнать, о чем будут спрашивать на экзаменах.

Как бы там ни было, в июне 1849 г. Менделеев закончил гимназию. Мария Дмитриевна, оставшись к тому времени с двумя детьми, Дмитрием и Елизаветой (остальные разъехались кто куда), отправилась с ними в Москву, надеясь определить своего Дмитрия в университет. По правилам того времени Менделеев мог поступить только в Казанский университет, т. к. тобольская гимназия относилась к Казанскому учебному округу. Мария Дмитриевна надеялась, что помогут связи ее брата, но этого не произошло. От предложения устроить сына в канцелярию губернатора Мария Дмитриевна категорически отказалась, поэтому весной 1850 г. Менделеевы выехали в Петербург.

Поскольку определенного призвания юный Менделеев в себе еще не чувствовал, вузы перебирались в порядке убывания их престижа. В Петербурге Менделеев предпринял попытку поступить в Медико-хирургическую академию, однако она не увенчалась успехом. Обязательным вступительным условием было посещение вскрытия в анатомическом театре, но Дмитрий не выдержал зрелища, ему стало дурно. Так впечатлительный юноша предпочел найти себе более мирное занятие.