Мария Дмитриевна разыскала старого студенческого друга покойного мужа Дмитрия Семеновича Чижова, служившего теперь профессором математики в университете, и попросила его о помощи. Благодаря то ли активной протекции Чижова, то ли случившемуся в институте значительному отсеву студентов, то ли тому, как близко принял к сердцу судьбу Дмитрия инспектор института статский советник Александр Дмитриевич Тихомандрицкий (судя по фамилии, земляк отца), а может быть, всему этому вместе, 1 мая 1850 года документы Дмитрия Менделеева были приняты, соискатель испытан и в августе утвержден в звании студента физико-математического факультета. Нельзя сказать, что испытания прошли гладко: средний бал составил всего 3,22. Митя так переволновался, что умудрился получить четверку по проклятой латыни и тройку по любимой математике. Русский язык — 4, физика — 3½, география — З½, история — 3½, Закон Божий — 3, французский язык — 2, немецкий — 2½.
Некоторые биографы пишут, что сразу после поступления Дмитрий сам изъявил благоразумное желание провести на первом курсе лишний год. Повторялась история с поступлением в гимназию. Институтская программа была рассчитана на два двухгодичных курса, и новоиспеченному студенту следовало выбрать одно из двух: использовать время, чтобы хорошенько подготовиться к прохождению полноценного курса, или догнать тех, кто уже год проучился. По другим сведениям, решение вернуть студента Менделеева к стартовой черте было принято руководством института по итогам первого года обучения, поскольку его успехи позволили ему занять только двадцать пятое место среди двадцати восьми сокурсников. Как бы то ни было, Мите предстояло провести пять лет в закрытом учебном заведении.
Через месяц после того, как Дмитрий стал студентом, Мария Дмитриевна умерла. Ей хватило сил ровно настолько, чтобы исполнить родительский долг в отношении младшего сына. Последние недели она прожила вместе с Лизой в комнате, снятой в Эртелевом переулке (ныне улица Чехова), поблизости от института, где учился сын. Ей было 57 лет. По строгим правилам института Дмитрий должен был ночевать только в его стенах, поэтому, пробыв возле постели маменьки в Мариинской больнице до позднего вечера, он вынужден был уйти. Мария Дмитриевна скончалась на руках у бедной также тяжелобольной Лизаньки. Осталось письмо: «Прощайте, мои милые любезные дети! Господь посетил меня и призывает в вечность. Слава Его безмерному человеколюбию, слава Его милосердию. Не долго уже мне дышать в сем мире и вас, кажется, уже более не увидеть. Да будет над вами Божие и мое материнское благословение, да сохранит вас Пречистая Матерь Божия и Ангелов мирных ниспошлет вам. Берегите себя от всякого зла и любите друг друга. Любите добро делающих и зло творящих вам, молитесь о всех. Помните, что мать ваша на земле жила для вас и не оскорбляйте моей памяти суждениями. От Бога назначена мне доля моя. Слава Его предведению. Молитесь обо мне. Тяжко душе разлучаться с телом. Тяжко матери семейства расставаться с детьми. Я любила, люблю и буду любить вас за гробом. Богу не угодно, чтоб видела вас. Одна добрая Лизанька неотлучна от меня. Помните, что она усладила последние минуты жизни моей. Митя сирота, ему также нужна помощь, не забывайте, что он вам брат. Пашу желала бы видеть и обнять, но Бог не велел, да будет воля Его».
У отца Марии Дмитриевны, доживавшего свой век в семье дочери, хранилась родовая корнильевская икона Знамения Божьей Матери. Она всегда была вместе с Менделеевыми — в Тобольске, Тамбове, Саратове и снова в Тобольске. По семейному поверью, икона охраняла детей и взрослых, а также предупреждала своим потрескиванием и миганием лампады о приближении несчастья. Большая, более аршина вышиною и почти квадратная, старинная икона, «верный список с Абалацкой Божьей Матери», была, по воспоминанию сестры Дмитрия Ивановича Екатерины, помещена в старинную серебряную, со стершейся от времени позолотой, ризу. Убрус (полотенце) под иконой был вышит жемчугом, и посредине в него был вставлен, как звезда, большой бриллиантовый перстень. После смерти дедушки икона должна была по семейной традиции перейти к его сыну Василию, но Мария Дмитриевна, добравшись до Москвы, задержала ее у себя. Она нужна была ей, чтобы перед ее скорым уходом благословить Митю. На иконе ее рукой была сделана надпись: «Благословляю тебя, Митинька. На тебе была основана надежда старости моей. Я прощаю тебе твои заблуждения и умоляю обратиться к Богу, Будь добр, чти Бога, Царя, Отечество и не забывай, что должен на Суде отвечать за всё. Прощай, помни мать, которая любила тебя паче всех. Марья Менделеева».