功夫不负有心人。经过几年的刻苦学习，门捷列夫以十分优异的成绩从中央师范学院毕业了。1856年，他又在圣彼得堡大学拿到硕士学位。此后，门捷列夫教了两年的书，直到1859年初，他光荣地获得了为期两年的国家公派留学机会，便动身前往德国海德堡，投入研究工作。

当时有一些著名的科学家在海德堡大学任职，如本生、基尔霍夫等。本生亲切地接待了门捷列夫，让他加入了课题组。

门捷列夫刚一开始工作，就遇到了麻烦。学校给本生新建的实验室，当时真的很先进——有管道煤气和自来水，都是别处少有的。但说到实验室里的通风橱，就不尽如人意了，不但吵，通风效果还不好。再加上旁边有人在分析“臭”名远扬的含硫化合物，通风效果不好的问题就更严重了。

门捷列夫受不了身旁的烟气和噪声，无奈之下，他将他的公寓改造成了一间属于自己的小实验室。在这里工作终于可以不受人打扰，他高兴极了。当时，本生研究焰色反应，正碰到难处，也没能抽出太多精力关照新来的门捷列夫。

门捷列夫十分珍惜这次出国学习的机会，一方面结交朋友，一方面认真搞研究。他在学化学的同学中，意外认识了一位王子的私生子——鲍罗丁。鲍罗丁后来成为浪漫主义作曲家，一生都和门捷列夫是好朋友。

两年间，门捷列夫做出了许多漂亮的研究，比如他研究取得突破的“临界温度”问题。当时人们观察到，对于氧气、氮气等气体，（在常温下）怎么加压都不会液化。对这一现象的研究可以追溯到17世纪炼金术（化学）时代：炼金术士海耳蒙特认为，组成万物的“普遍质料”是水，意思是万物都是由水转化而来的，唯一的例外是空气。因为他发现，即使在最寒冷的冬天给空气加压，都不会使其凝结成水元素。炼金术的时代早已过去，对一些气体无法液化的现象，仍然没有很好的理论解释。

在门捷列夫的一篇论文中，他提出了“临界温度”的概念：当气体温度高于临界温度时，无论施加多大压力，都不能变为液体[14]；将气体冷却到这一温度以下，则有望液化成功。这个科学结论使人们恍然大悟，调整思路，果然液化了这几种气体。门捷列夫为科学界解决了一大难题。

1860年9月，全世界第一次国际性化学会议在德国卡尔斯鲁厄举行。这次会议在化学史上具有极重要的意义，怎么强调都不为过。参会者有：提出有机化学结构理论的凯库勒、发明光谱分析法的本生、“微生物学之父”巴斯德……可谓是“众星云集”。

在德国留学的门捷列夫也有幸随他的导师本生来参会。会议主要讨论了原子、分子等化学基本概念。

科学原子论的创立者道尔顿显然没想到，很多常见气体元素（如氧气）的一个分子是由两个原子组成的。因此，对于元素的原子量，与化合物的分子量，化学家们长期分不清，而这造成了一系列非常奇怪的理论问题。会议无法达成共识而即将结束之际，意大利化学家坎尼扎罗以小册子形式散发了他写的《化学哲学教程提要》，对科学原子论作了重要的完善。会议后，以H=1、C=12、O=16为基础的现代原子量数值，渐渐被广为接受了。

参会后的门捷列夫收获巨大。对原子量的统一标准，正是他未来得以发现元素周期律的关键。

天下没有不散的筵席。1861年，两年的公派留学时间到了。虽然门捷列夫的确取得了不少研究成果，但他申请延长出国的时间并未获得批准，只得启程回国。他的好朋友们听说了消息，为门捷列夫举办了一场欢送会，他深受感动。在回程的路上，门捷列夫噙着泪水——海德堡成了他亲切的回忆。