时光流逝，岁月无情。紧张而又繁忙的工作悄然把他带到暮年。
20世纪开始的几个年头里，门捷列夫常常生病，视力急剧衰退，双手颤抖不能写字……这位孜孜不倦的老化学家，终于觉察到自己已经走近了生命的尽头。于是，他开始撰写自传，清理自己的著作，不停地写日记，有时还在日记本中作一些札记。
“和我的名字相联系的只有四件事：周期律、气体张力的研究、认识溶液是缔合物以及《化学原理》，这就是我的全部财富。它们不是从别人那里抢来的，而是由我自己创造出来的，这是我的成果，我极为珍视它们，啊，就像珍爱我的孩子一样。”
“看来，周期律将来不致遭到破坏，而只会提高和发展。作为一个俄国人，尽管有些人特别是德国人，想把我抹杀。可是我很幸运，特别是由于我对镓和锗的预言……关于在低压下的张力问题，时至今日，虽然已经过了30年，依然知之甚微。但是，我寄望于未来。人们将会明白，我所发现的东西，对于了解整个自然界和微观世界既普遍又重要……看来，对于溶液，人们开始理解，就连奥斯特瓦尔德一派的人也开始正确地评价。我这里实际掌握的资料不多，然而坚实的理论基础显然已经奠定了。我首先寄希望于美国人，他们在化学方面开始做出很多好东西。他们会记起我的……这部《化学原理》是我的宠儿。其中有我的教学方法和经验以及我所倾心的科学思想……在《化学原理》中有我倾注的心血和我留给后人的遗产……”
门捷列夫有时口授由秘书笔录，有时亲自动笔。尽管他体力不支，但还是信心十足。
1906年冬，白云、雪花终于从瑞典斯德哥尔摩带来一年一度的诺贝尔奖评选结果：莫瓦桑以一票优势战胜了门捷列夫，获得了该年度的诺贝尔化学奖！俄国彼得堡的科学界无不为此感到遗憾。
然而，谁人会想到，那位法国化学家莫瓦桑合成的人造金刚石，竟然是假的。原来，莫瓦桑的助手对科学研究缺乏毅力和信心，在无休止的、繁重的重复实验中，感到厌倦和烦恼，偷偷地把过去实验剩下来的一颗天然金刚石颗粒混入实验材料之中……多么可怜的莫瓦桑，九泉之下，他也不知道自己受了骗，更不知道以他响亮的名字蒙骗了世人。当然这是后来人们才发现的。不过，这次事故却给化学元素周期律的创始人门捷列夫造成了巨大的损失。
这位年迈的老人，怎能经得起这样巨大的打击啊！他的身体急剧变坏。然而，他那矢志不移科学探索到生命的最后一分钟的精神，却支撑着他，使他在临终前三星期还参加讨论了乘飞艇到北极探险的计划。
1907年初，他的姐姐玛丽雅·伊凡诺夫娜·波波娃来看他。她见到弟弟已是个面色苍白、头发稀疏的瘦老头子，心里很难受。
“你需要休息，米钦卡！你这一辈子工作得够多了。”
“对于我来说，最好的休息就是工作。停止工作，我就会烦闷而死。”
他真的工作到了最后一天。1907年2月2日清早，人们在门捷列夫的书桌前发现：这位伟大的化学家已经与世长辞——手中依然握着笔。
噩耗传出，整个俄国社会都震惊了。他虽然没有成为俄国科学院院士，也未获得诺贝尔化学奖，但是他却走出了化学迷宫，创立了伟大的科学理论——元素周期律。元素周期律对于化学发展起到的推动作用是多么巨大啊！门捷列夫本人及其后来者都曾根据元素周期律，预言了一些当时尚未发现的元素的存在和性质；元素周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究，成为现代有关物质结构理论发展的基础。更值得指出的是，元素周期律揭示了自然界物质的内在联系，反映了物质世界的统一性和规律性，是唯物辩证法从量变到质变规律的一个有力例证，具有重大的哲学意义。后来，恩格斯在《自然辩证法》著作中，高度评价了门捷列夫的功绩：“门捷列夫证明了：在依据原子量排列的同族元素的系列中，发现有各种空白，这些空白表明这里有新的元素尚待发现。他预先描述了这些未知元素之一的一般化学性质……门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星——海王星的轨道的勋业居于同等地位。”
人们缅怀他，敬仰他，为他举行了隆重的葬礼……直到今天，门捷列夫这不朽的名字仍为世人传颂。