למרות שנדלייב זכה לכבוד נרחב על ידי ארגונים מדעיים בכל רחבי אירופה, כולל (ב-1882) מדליית דייבי מהאגודה המלכותית של לונדון (שבהמשך גם העניקה לו את מדליית קופלי ב-1905), הוא התפטר מאוניברסיטת סנט פטרסבורג ב-17 באוגוסט 1890. הוא נבחר כחבר זר של האקדמיה המלכותית (ForMemRS) ב-1892, ובשנת 1893 הוא מונה למנהל משרד המשקולות והמידות, תפקיד שכיהן בו עד מותו. מנדלייב חקר גם את הרכב הנפט, ועזר להקים את מפעל הזיקוק הראשון ברוסיה. הוא הכיר בחשיבות הנפט כמשא דגמה לחומרי דלק לחומרים פטרוכימיים. הוא זכאי לציון נפט כדלק "יהיהיה כדלק לשרוף תנור במטבח עם פתקים". ב-1905, מנדלייב נבחר לאקדמיה המלכותית של סנט פטרסבורג, אך הוא נבחר שוב על ידי
התפטר מאוניברסיטת סנט פטרבורג.