Борьба так называемой «немецкой школы» за ведущее место в Российской академии наук сказалась при выборах в Академию наук в 1880 году, когда Д. И. Менделеев был забаллотирован и академиком был избран посредственный химик Бейльштейн. Этот факт вызвал многочисленные протесты со стороны общественных и научных кругов России.
В 70–90–х годах Д. И. Менделеев изучал нефтяные, каменноугольные и железные месторождения России и Пенсильванские нефтяные залежи в Америке. На основании своих поездок и детального изучения сырьевой и топливной базы России он опубликовал ряд технико — экономических исследований и статей о необходимости подъема отечественной каменноугольной, нефтяной и металлургической промышленности, намечая многочисленные и смелые мероприятия скорейшей реализации своих проектов. В тот же период он проводил многочисленные исследования по сжимаемости газов, по сопротивлению жидкостей, изучал растворы, занимался метеорологией и вопросами воздухоплавания. В связи с последними работами, желая исследовать верхние слои атмосферы, Д. И. Менделеев в 1887 году совершил полет на воздушном шаре, наблюдая солнечное затмение. Полет на воздушном шаре в то время являлся рискованным, особенно при отсутствии специалиста — пилота, которого Д. И. Менделеев в последний момент перед подъемом попросил остаться на земле, так как выяснилось, что из?за Дождя шар намок и не мог поднять двух пассажиров. Подобная смелость была проявлена Д. И. Менделеевым и в других случаях, когда дело касалось науки.
В 1890 году после 23 лет преподавания Д. И. Менделеев покинул Петербургский университет. Д. И. Менделеева приглашают в Лондон для чтения Фарадеевской лекции, избирают членом многочисленных иностранных академий, обществ, премируют почетными званиями и медалями. Д. И. Менделеев 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. Многочисленные иностранные университеты — Кембриджский, Оксфордский, Геттингенский, Принстонский и другие — избрали его почетным доктором. Он был избран также почетным членом нескольких десятков других иностранных обществ.
После ухода из университета Дмитрий Иванович сосредоточился главным образом на технических и экономических вопросах, ведя одновременно научную и большую литературную работу.
В 1898 году он был назначен хранителем (управляющим) Главной палаты мер и весов. 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 вышла его книга «К познанию России», содержащая многочисленные мысли о путях дальнейшего развития отечественного народного хозяйства. В течение трех месяцев эта книга была переиздана несколько раз.
Литературное наследие Д. И. Менделеева огромно. Оно содержит 431 печатную работу, из которых 40 посвящено химии, 106 — физико — химии, 99 — физике, 22 — геофизике, 99 — технике и промышленности, 36 — экономическим и общественным вопросам и 29 — другим темам. Приблизительно две трети статей и трудов были посвящены оригинальным научным и техническим работам и одна треть — литературным и обзорным работам и учебным пособиям.
Непосредственно и тесно связанными с периодическим законом являлись «Основы химии», о которых Д. И. Менделеев писал: «Основы» — любимое мое дитя, в них мое прозрение, мой опыт педагога, мои задушевные мысли». К числу своих крупнейших работ сам Д. И. Менделеев относил еще «Исследование упругости газов» и «Понимание растворов, как ассоциаций». Приступив к изучению свойств газов, он обнаружил несовершенство применявшихся до него методов исследования, разработал несколько новых приборов, смело перешел к изучению разреженных газов в более высоких слоях атмосферы и внес много нового в метеорологию. Убедившись в том, что высокие слои атмосферы являются «великой лабораторией погоды», Д. И. Менделеев изучил теоретические основы воздухоплавания и, как упоминалось выше, поднялся в 1887 году на аэростате для исследования верхних слоев атмосферы. За совершение этого полета Д. И. Менделеев удостоился медали французского общества воздухоплавания.
Для Д. И. Менделеева никогда не существовало противопоставления теоретической науки и науки прикладной.
Д. И. Менделеев считал нефть драгоценным сырьем для получения очень многих нужных органических продуктов. В связи с этим он произнес великие слова: «Топить нефтью — все равно что топить ассигнациями». Он ставит задачу использования природных газов.
«Наука и промышленность — вот тут мои мечты!» — писал Д. И. Менделеев. Еще в молодости он заинтересовался горнорудным делом, позднее сельским хозяйством и фабрично — заводской промышленностью, детально изучая технику и экономику этих отраслей. В 1863 году он приступил к изучению нефтяного дела в Баку. Изучая условия добычи и химической переработки нефти, он наметил перспективы развития кавказской нефтяной промышленности. Уже тогда Д. И. Менделеев предложил устройство нефтепроводов из Баку к Черному морю, которое было реализовано лишь после его смерти. Для морского и речного транспорта нефти он предложил применение нефтеналивных судов.