У одних его слушателей складывалось впечатление, что он «читал, всегда хмурясь и негодуя как будто, с трудом справляясь с конструкцией своей речи, тяжеловесною, со многими повторениями и вставочными предложениями. Он говорил, точно медведь валит напролом сквозь кустарник; так он напролом шел к доказываемой мысли, убеждая нас неотразимыми доводами» (В. Е. Чешихин-Ветринский). Другим запомнилось, что «его речь была отрывиста, не всегда лилась гладко, но положения его были точны, в наши головы они вклинивались и отчетливо врезались в память. Иногда он, увлекаясь сам, не замечал, что далеко отошел от курса, унесся в область, нам недоступную, в область химической фантазии, и тогда, спохватившись, останавливался, улыбался, глядя на нас, и, расправляя бороду, говорил: «Это я все наговорил лишнее, вы не записывайте». Между ним и аудиторией существовала какая-то неясно ощущаемая, но прочная нравственная связь» (В. В. Рюмин). В ряде воспоминаний встречается указание на явные трудности, которыми иногда сопровождалось начало лекции, даже на временную бессвязность речи и некие странные, скрипучие звуки, предшествовавшие рождению и вбросу в аудиторию четко сформулированного тезиса, вслед за чем речь Менделеева сразу же обретала свойственную ей мощь и свободу: «Лектор растягивает как-то своеобразно фразу, подыскивая слово. Тянет некоторое время «э-э-э…», вам даже как будто хочется подсказать не подвертывающееся на язык слово, но, не беспокойтесь, оно будет найдено, и какое — сильное, меткое, образное. Своеобразный сибирский говор на «о», всё еще сохранившийся акцент далекой родины! Речь течет всё дальше и дальше. Вы уже привыкли к ней, вы уже цените ее русскую меткость, способность вырубить сравнение как топором, оставить в мало-мальски внимательной памяти. Еще немного, и вы, вникая в трудный иногда для неподготовленного гимназией ума путь доводов, всё более и более поражаетесь глубиной и богатством содержания читаемой вам лекции. Да, это сама наука, более того — философия науки, говорит с вами строгим, но ясным и убедительным языком» (В. А. Яковлев).
Феномен менделеевской речи проявлялся и в ее явном состязании с менделеевской мыслью: «Фразы Менделеева не отличались ни округленностью, ни грамматической правильностью: иной раз они были лаконически кратко выразительны, иной раз, когда набегавшие мысли нажимали друг на друга, как льдина на заторах во время ледохода, фразы нагромождались бесформенно: получались переходы чуть ли не из десятка нанизанных друг за другом и друг в друге придаточных предложений, зачастую прерывавшихся новою мыслью, новою фразою, и то приходивших, — после того, как сбегала словами эта нахлынувшая волна мыслей, — к благополучному окончанию, то остававшихся незаконченными» (Б. П. Вейнберг). Речь не поспевала за мыслью, она растягивалась; слову доставалось значительно больше нагрузки, чем обычно. Но там, где, казалось, смысл фразы готов был вот-вот прерваться или ускользнуть, всё спасала удивительная менделеевская интонация. Читать конспекты его лекций было очень непростым делом: мысль, претерпев неизбежные потери при озвучивании, будто бы вовсе умирала, распластываясь на бумаге. Оживить ее можно было, лишь угадав и применив менделеевскую интонацию. И тогда оказывалось (и оказывается сейчас), что короче, выпуклее и своеобразнее передать вслух менделеевскую мысль просто невозможно. У того же Вейнберга можно взять несколько законспектированных фраз Дмитрия Ивановича: