На старшем курсе студенты делились по специальностям на математиков и естественников. Менделеев, выбравший естественные науки, должен был слушать химию с химической технологией, геогнозию, зоологию, ботанику, а также русское право и педагогику, которые читались одновременно студентам старшего курса обоих факультетов. Два раза в неделю по полтора часа преподавались искусства. Лекций было немного, но зато было много другой работы: практические занятия в лаборатории по аналитической химии, сочинения на темы, задаваемые профессорами, и т. п.

Первый год старшего курса Менделеев окончил с одними пятерками. Успехи выглядят тем более поразительными, что из-за болезни он часто попадал в лазарет, но и там продолжал занятия. Дочь институтского советника Н. М. Данилевская сохранила для потомков такую историю, относящуюся, вероятно, к 1854 году. Перед одним из экзаменов Дмитрий опять был болен и лежал в лазарете. Однако откладывать экзамена до осени он не желал и просил доктора Кребеля дозволить ему держать экзамен. Тот удивился, но разрешил. В день экзамена, несмотря на болезненное состояние, Менделеев встал, оделся в мундир, как требовалось правилами, и сдал экзамен успешно. Когда после этого он возвращался в лазарет, товарищи проводили его аплодисментами.

К 1854 году относится первая научная публикация Менделеева. Статья «Химический анализ ортита из Финляндии» — это, по существу, говоря современным языком, курсовая студенческая работа. Но анализ минерала был сделан так отлично, что его результаты поместили на немецком языке в издании Минералогического общества. Публикация была замечена шведским минерологом Норденшильдом, с которым Менделеев вступил в переписку.

^{>Титульный лист диссертации Д. И. Менделеева, представленной при окончании Главного педагогического института.1856 г.}

Все выпускные экзамены в 1855 году Менделеев сдал на отлично. По биологии и ботанике в ведомостях стоят пятерки с плюсами. Показателен отзыв академика Ю. Ф. Фрицше, написанный им по собственной инициативе на имя директора института после посещения экзамена по химии, который принимал профессор А. А. Воскресенский:

«Присутствовав на экзамене в Главном педагогическом институте, я с удовольствием слушал объяснение вопросам химии студента Менделеева. Убедившись, что этот молодой человек вполне владеет знанием химии и очень хорошо знаком даже с новейшим направлением этой науки, я долгом считаю сообщить вам об этом свое личное мнение и покорнейше просить ваше пр-во содействовать с вашей стороны тому, чтобы г-ну Менделееву при определении на службу была предоставлена возможность далее усовершенствоваться в химии.

Это, по моему мнению, ныне наилучше могло бы быть достигнуто, если бы он был определен в один из тех городов, где имеются университеты, а впоследствии предоставлена была возможность посетить иностранные лаборатории и воспользоваться советами знаменитых иностранных химиков, личное знакомство с которыми никак не может быть заменено одним чтением их сочинений».

После торжественного выпускного акта, состоявшегося 20 июня 1855 года, конференция института возбудила ходатайство перед министром о разрешении «отличнейших из окончивших курс студентов», в числе которых был назван и удостоенный золотой медали Дмитрий Менделеев, «оставить при институте еще на один год для дальнейшего усовершенствования по избранным им наукам и приготовления к экзамену на степень магистра под руководством профессоров института».