В мае Менделеев уже был в Петербурге, где намеревался немедленно сдать магистерские экзамены. Воскресенский одобрил его рукопись (правда, посоветовал внести в нее результаты новейших исследований) и сам походатайствовал за ученика перед ректором университета П. А. Плетневым. Менделееву разрешили в виде исключения представить к экзаменам только тезисы диссертации. Для печатания диссертации в полном объеме у взявшего в гимназии внеочередной отпуск старшего учи геля не было ни времени, ни денег. В прошении диссертант давал обещание представить работу в должном виде к официальному диспуту. Ему пошли навстречу — первый экзамен был назначен на 18 мая. В этот день соискателю было предложено отстать на вопросы об эквивалентах простых и сложных тел, и изложить теорию образования эфиров, а также проанализировать состав «артиллерийского металла» и других сплавов. 25 мая Менделеев отвечал на вопросы по физике: об удельной теплоте, силе тока, движении воздуха. 30 мая на экзамене по геологии и геогнозии он рассказывал о трех- и одноосных системах кристаллов, провел обозрение минералогических систем, освещал вопрос о метаморфизме и меловой формации.
31 мая состоялся письменный экзамен. Первый вопрос был «Об аллотропическом состоянии тел», второй — «Понятие Жерара о кислотах», третий — «Об отделении лития от калия и натрия». Как и ожидалось, все экзамены были сданы успешно. Публичный диспут — главное событие магистерской защиты — был назначен на 9 сентября.
В гимназию он решил не возвращаться — по крайней мере, пока не пройдет диспут, заранее выхлопотав служебный отпуск с 1 по 15 сентября. Такой разрыв между экзаменами и диспутом был, по мнению некоторых биографов, связан с рыхлостью его работы, к тому же представленной в единственном, да еще рукописном варианте. Профессора спешили разъехаться на каникулы, и разбирать впопыхах трудный менделеевский почерк им было, при всей благожелательности, не с руки. Менделеев после экзамена тоже решил отдохнуть. По некоторым свидетельствам, он на какое-то время уехал в роскошную Одессу, где с удовольствием провел время, занимаясь рыбалкой.
Большая часть петербургского лета ушла на хлопоты, связанные с печатанием работы, встречи с учителями и земляками. Сначала он поселился у академика Брандта — тот просто не отпустил ученика, явившегося к нему с визитом, — а потом снял квартиру на Большой Морской, в доме Вейдле. Это была первая «взрослая» петербургская квартира Менделеева. Город был уже хорошо знакомым, но жизнь потекла новая, поскольку Дмитрий никогда еще не жил в Петербурге сам по себе, самостоятельным человеком — старшим учителем, почти магистром, будущим профессором (все знали, что Менделеев вскоре должен отправиться доучиваться в Европу), наконец, красивым молодым человеком, завидным женихом… Всё вроде складывалось наилучшим образом. Никто в Симферополе и Одессе не затаил против него злых чувств, директора гимназий и сослуживцы писали ему добрые напутственные письма, друзья искренне радовались, а профессора общались с ним как с коллегой. Особым теплом дарили земляки — Протопоповы, Скерлетовы, Ивановы… И, конечно, славная Феозва Лещова, которой он в эти месяцы отправлял письма, пожалуй, чаще всех, а коли писал не ей, то о ней и часто просил что-то передать Физе, о чем-то справиться у нее, уверить в своем особом к ней отношении… Падчерица Ершова, выпускница Московского Екатерининского института и очень начитанная девушка, она была на шесть лет старше Дмитрия, дружила с его сестрой Ольгой. Хотя она очень симпатизировала Дмитрию, но всегда вела себя как заботливая старшая сестра и, как многие другие питерские тоболяки, пыталась в то лето подобрать ему «хорошую партию» — естественно, из своих.
Однажды Физа решила познакомить Менделеева с пятнадцатилетней Софьей Каш, дочерью доктора Марка Ефимовича Киша, бывшего управляющего Тобольской казенной аптекой приказа о ссыльных. Судя по всему, супруги Каш были из обрусевших немцев и водили тесное знакомство с людьми из менделеевского круга. Феозва, зная о скором приходе Дмитрия, уговорила стеснительную Сонечку задержаться, чтобы познакомиться с молодым магистром. Дело было в начале лета на даче Протопоповых на Крестовском острове. Менделеев всё не шел, но она настойчиво просила юную гостью остаться. Наконец встреча произошла. Когда их представляли друг другу, Сонечка напомнила Дмитрию, что это происходит во второй paз. Его, тогда гимназиста последнего или предпоследнего класса, уже знакомили и даже пытались поставить в пару с восьмилетней дочерью доктора Каша, которую отец приводил в гимназию на урок танцев. Она хорошо помнит худого юношу, который очень обидел ее тем, что тут же выдумал предлог, чтобы с ней не танцевать. А он помнит? И Соня сделала реверанс — точно так, как сделала когда-то перед худым гимназистом та девочка. Магистр сконфузился, кое-как попросил прощения и пообещал загладить свою давнюю вину. Он спроси и, где ее родители снимают квартиру. Сонечка повела Менделеева на балкон и оттуда показала дом Катани на углу Малого Петровского моста и Ждановки. Менделеев даже не понял, когда, в какое мгновение он влюбился — насмерть, совсем не зная предмет своего чувства. История эта длилась больше года, и рассказ о ней стоит вести, не прерываясь.