Но при выборах в Российскую Академию наук в 1880 году сказалась борьба реакционной, так называемой «немецкой школы» за ведущее место в академии, и Менделеев был забаллотирован, академиком избран посредственный химик Бейльштейн, что вызвало многочисленные протесты со стороны общественных и научных кругов России.
В 1870–1890-х годах Д. И. Менделеев изучает нефтяные, каменноугольные и железные месторождения в России, а также Пенсильванские нефтяные залежи в Америке. Детально изучив сырьевую и топливную базы России, он публикует ряд технико-экономических исследований и статей о необходимости подъема отечественной каменноугольной, нефтяной и металлургической промышленности, а также планирует многочисленные и смелые мероприятия по скорейшей реализации своих проектов.
Заинтересовавшись железорудной промышленностью Урала, он выезжает с магнитологами для сбора материалов о связи между местонахождением железной руды и магнитными аномалиями. Результатом командировки становится отчет «Уральская железная промышленность в 1899 г.», где Менделеев ставит проблему Кузнецкого бассейна и предлагает ряд экономических мероприятий для развития металлургии на востоке. А годом позже он уже выдвигает задачу «прямого получения железа и стали из руды, обходя чугун».
В это же время Менделеев проводит многочисленные исследования по сжимаемости газов и сопротивлению жидкостей, изучает растворы, занимается метеорологией и вопросами воздухоплавания.
Желая исследовать верхние слои атмосферы, в 1887 году Д. И. Менделеев, используя подъем воздушного шара для наблюдения солнечного затмения, поднимается один в небо и полностью выполняет программу исследования. В то время полет на воздушном шаре являлся очень опасным, но Дмитрий Иванович Менделеев проделал его без пилота, в последний момент перед подъемом попросив его остаться на земле — из-за дождя шар намок и не мог поднять двух пассажиров. Но на подобный риск ученый шел и в других случаях, когда дело касалось его любимой науки. За этот полет Д. И. Менделеев удостоился медали Французского общества воздухоплавания.
В том же 1887 году Менделеев впервые выдвинул идею подземной газификации каменного угля.
В 1890 году, после 23 лет преподавательской деятельности, Дмитрий Иванович вследствие конфликта с министром народного просвещения Деляновым, который отказался во время студенческих волнений принять переданную Менделеевым петицию студентов, вынужден был покинуть Петербургский университет.
Однако труды Менделеева получают широкое признание со стороны иностранных научных кругов: его приглашают в Лондон для прочтения Фарадеевской лекции, награждают многочисленными почетными званиями и медалями. Ученый был избран почетным членом Американской, Ирландской и Югославской академий наук, Дублинского королевского общества; действительным членом Лондонского королевского общества, Эдинбургского королевского общества; Римской, Бельгийской, Датской, Чешской, Краковской и других академий наук. Известные иностранные университеты — Кембриджский, Оксфордский, Геттингенский, Принстонский и другие — избирают его почетным доктором. Он становится также почетным членом нескольких десятков других иностранных обществ.
Оставив университет, Дмитрий Иванович уделяет внимание техническим и экономическим вопросам, ведя одновременно научную и большую литературную работу. Он пытается издавать газету под названием «Подъем» для освещения путей культурного и промышленного подъема России, но ему это запрещают. Менделеев активно участвует в издании Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, редактируя в нем химико-технический и промышленный отделы и выступая в качестве автора ряда статей. В 1898 году его назначают хранителем (управляющим) Главной палаты мер и весов — он с огромным энтузиазмом трудится на этом поприще, впервые организовав в этой сфере большую научно-исследовательскую работу.
В последние годы своей жизни Д. И. Менделеев выпустил «Заветные мысли» и ряд статей, в которых высказался о важнейших проблемах народного хозяйства и культуры. В 1906 году выходит его книга «К познанию России», содержащая многочисленные мысли ученого о путях дальнейшего развития отечественного народного хозяйства. Только в течение трех месяцев эта книга была переиздана несколько раз!
Целеустремленный, инициативный, обладающий огромной трудоспособностью и глубокими знаниями в самых разнообразных областях химии, физики, техники и других наук, человек-энциклопедия, человек-гений полностью отдавал себя служению своей родине и ее народу. В своих многочисленных работах он представлял полную смелых замыслов программу использования природных богатств и индустриализации России, поэтому с полным правом может быть назван отцом химизации ее промышленности и сельского хозяйства.
Менделеев интересовался также агрохимией, применением удобрений, качеством сельскохозяйственной продукции и т. п. Чтобы проводить сельскохозяйственные опыты с удобрениями, он приобрел имение Боблово в Ярославской губернии, где на протяжении нескольких лет изучал эффективность различных видов удобрений и разрабатывал методику полевых опытов (итоги были опубликованы в «Трудах Вольного экономического общества»), пропагандируя на заседаниях и в докладах применение фосфорных, азотных, калийных, известковых и органических удобрений. В этой области учениками и научными сотрудниками Дмитрия Ивановича являлись ставшие потом знаменитыми Тимирязев и Густавсон. О ведении сельского хозяйства в своем имении Боблово сам Менделеев писал: «Введено было многополье, хорошее, даже обильное удобрение, заведены были машины и устроено было правильное скотоводство, чтобы использовать луга и иметь свои удобрения». Старания ученого увенчались успехом: в течение нескольких лет он увеличил урожай ржи почти в 2,5 раза! Профессора Петровской сельскохозяйственной академии привозили студентов смотреть хозяйство Менделеева.
Вместе с тем в многочисленных статьях и высказываниях ученого проходит четкая мысль о взаимной связи и благотворном воздействии друг на друга сельского хозяйства и промышленности, говоря его же словами, «заводские, промышленные предприятия не враги, как хотят утверждать многие, а истинные союзники или родные братья сельскохозяйственной промышленности».
Изучая и решая злободневные промышленные и сельскохозяйственные проблемы, Менделеев широко применял математическую обработку данных и статистические методы, подходя к исследованию вопросов комплексно — с учетом всей совокупности научных, технических, экономических и географических моментов. Именно так подходил он к решению проблем северных морских путей сообщения (путь на Дальний Восток через Ледовитый океан, через Арктику), аэронавигационных сообщений, орошения почв Нижней Волги, поиска «центра поверхности и населенности России», придя к выводу, что «центр населенности двигается в сторону благодатного юга и обильного землей востока».
Ярким примером оригинального и остроумного подхода Менделеева к решению некоторых научных задач является случай с выяснением им состава бездымного пороха. Не являясь специалистом в области взрывчатых веществ, Дмитрий Иванович, тем не менее, не побоялся взяться за эту тему. По поручению Морского министерства он был командирован во Францию с заданием выяснить состав бездымного пороха. Французские власти предоставили ученому возможность ознакомиться с заводом бездымного пороха, но отказались сообщить ему состав. Тогда, узнав, что завод имеет отдельную железнодорожную ветку, Менделеев решил изучить опубликованные статистические отчеты железнодорожных перевозок сырья и продуктов на этот завод и на основе расчетов сделать вывод о составе пороха. Таким образом он определил количество целлюлозы, а также серной и азотной кислот, эфира, необходимое для производства пироколлодия. Возвратившись в Россию, ученый проверил свои расчеты опытами в университетской лаборатории. Полученный продукт успешно выдержал все испытания, и вскоре его стали производить в заводском масштабе.
Ко всему перечисленному необходимо также добавить исследования Менделеева в области методики измерения и взвешивания, его блестящие труды в области взрывчатых веществ, астрономические, кристаллографические и минералогические, математические, педагогические, исторические, социологические и даже искусствоведческие работы. Многообразие интересов гиганта научной мысли подтверждают ряд его устных и печатных выступлений против классицизма в гимназическом образовании, его страстная борьба со спиритизмом, выступления о судебной экспертизе, большой экономический труд «Толковый тариф», критические статьи по поводу картины Куинджи…
Дмитрий Иванович был гениальным лектором — он заражал слушателей своей преданностью науке. Как вспоминали современники Д. И. Менделеева, увлекшись работой, он часто не спал по нескольку ночей подряд и строго осуждал пустую трату времени. Менделеев любил живопись, музыку, увлекался художественной литературой (особенно — приключенческими романами Жюля Верна), а в качестве отдыха занимался физическим трудом — клеил шкатулки, чемоданы, переплетал книги.