Весной 1850 года Мария Дмитриевна привезла Митю в Петербург…
Но в Петербурге действовали те же правила, что и в Москве: в университете Марии Дмитриевне указали опять-таки на Казанский университет. Следующим после университета высшим учебным заведением в Петербурге по праву считалась Медико-хирургическая академия, но, присутствуя в анатомическом театре на вскрытии, Митя почувствовал себя дурно и наотрез отказался от медицинской карьеры. И вот тогда-то Мария Дмитриевна решилась отдать своего любимца в Главный педагогический институт.
Но судьба и тут припасла каверзу. Хотя в Главный педагогический институт принимались абитуриенты из всех учебных округов, но прием производился раз в два года, и как раз в 1850 году приема не было. Лишь после долгих хлопот и рекомендательной записки университетского профессора Д. Чижова, который учился и окончил Педагогический институт вместе с Иваном Павловичем Менделеевым, Мите было дано согласие на прием в неурочном году.
1 мая 1850 года он подал прошение и выдержал приемные испытания. Видимо, проходной балл был в те годы невысок: набрав всего 3,22 балла, Митя был принят в институт. Ради курьеза отметим: на этих испытаниях по нелюбимой им латыни он получил 4, а по любимой математике и физике соответственно 3 и 3+. 9 августа министр народного просвещения утвердил решение конференции, и Дмитрий Менделеев стал студентом.
Это долгожданное, страстно желанное событие в одночасье сняло с Марии Дмитриевны страшное напряжение. Она будто выполнила предназначение своей жизни: поставить будущего гения русской науки на дорогу, которая должна была привести его к славе. И можно только поражаться, как быстро угасла после этого ее жизнь. Она умерла 20 сентября 1850 года, всего 57 лет от роду. Через 18 месяцев после смерти матери от скоротечной чахотки умерла Лизонька, и весной 1852 года Митя Менделеев остался в Петербурге один. И как завет на всю предстоящую жизнь звучали в его ушах последние слова матери: «Настаивай в труде, а не в словах».
В старости, вспоминая поступление в институт, Менделеев писал, что его особенно поразила одна деталь приемной процедуры. У каждого поступившего была взята расписка в том, что он по окончании курса обязывается прослужить не менее двух лет за каждый год учения в институте там, куда направит его учебное ведомство. Это требование сильно поразило Митю. «Очень я хорошо помню, что в те 16 лет, которые прожил до поступления в Главный педагогический институт, никаких я никому расписок… никогда не давал. А тут заставили всю расписку самому написать. Оно, во-первых, удивило, во-вторых, было как-то лестно чувствовать себя уже решающим свою судьбу; а в-третьих, заставило много и не раз подумать в самом начале о том, что каждому из нас предстоит».
Менделееву и семерым его товарищам, принятым в институт в неурочный 1850 год, было предложено решить, за сколько лет они желают закончить полный курс: за три или за пять. В первом случае, пройдя самостоятельно курс предыдущего года, они могли присоединиться к студентам, принятым в 1849 году. Во втором — присоединиться к тем, кого примут в 1851 году, и снова прослушать вторую половину первого курса. Единственный из всех принятых в неурочный год, Дмитрий решил пройти курс вторично. И результат не замедлил сказаться. Если весной 1851 года среди 28 своих сверстников он по успехам в учебе был всего лишь двадцать пятым, то спустя год стал уже седьмым. А в 1853/54 году о нем уже говорили как о самом одаренном студенте Главного педагогического института.
Биографы Менделеева не перестают дивиться быстроте, с которой шалун гимназист, порой переходивший из класса в класс лишь по снисходительности педагогического совета, превратился в серьезного, работящего студента, искренно увлеченного наукой. Если у гимназиста Мити Менделеева предметы делились на любимые и нелюбимые, то у студента Дмитрия Менделеева нелюбимых предметов нет. Первенствуя в физике и химии, увлекаясь чистой математикой, он с равным интересом изучал биологические науки, поражая профессоров зоологии и ботаники своими успехами. Будучи студентом физико-математического факультета, он интересовался и науками, проходимыми на историко-филологическом факультете, всегда находя время, чтобы быть на лекциях профессоров этого факультета. Сверх того он интересовался гальванопластикой и посещал гальванопластическую мастерскую Академии наук.