В мае Менделеев уже был в Петербурге, где намеревался немедленно сдать магистерские экзамены. Воскресенский одобрил его рукопись (правда, посоветовал внести в нее результаты новейших исследований) и сам походатайствовал за ученика перед ректором университета П. А. Плетневым. Менделееву разрешили в виде исключения представить к экзаменам только тезисы диссертации. Для печатания диссертации в полном объеме у взявшего в гимназии внеочередной отпуск старшего учи геля не было ни времени, ни денег. В прошении диссертант давал обещание представить работу в должном виде к официальному диспуту. Ему пошли навстречу — первый экзамен был назначен на 18 мая. В этот день соискателю было предложено отстать на вопросы об эквивалентах простых и сложных тел, и изложить теорию образования эфиров, а также проанализировать состав «артиллерийского металла» и других сплавов. 25 мая Менделеев отвечал на вопросы по физике: об удельной теплоте, силе тока, движении воздуха. 30 мая на экзамене по геологии и геогнозии он рассказывал о трех- и одноосных системах кристаллов, провел обозрение минералогических систем, освещал вопрос о метаморфизме и меловой формации.
31 мая состоялся письменный экзамен. Первый вопрос был «Об аллотропическом состоянии тел», второй — «Понятие Жерара о кислотах», третий — «Об отделении лития от калия и натрия». Как и ожидалось, все экзамены были сданы успешно. Публичный диспут — главное событие магистерской защиты — был назначен на 9 сентября.
В гимназию он решил не возвращаться — по крайней мере, пока не пройдет диспут, заранее выхлопотав служебный отпуск с 1 по 15 сентября. Такой разрыв между экзаменами и диспутом был, по мнению некоторых биографов, связан с рыхлостью его работы, к тому же представленной в единственном, да еще рукописном варианте. Профессора спешили разъехаться на каникулы, и разбирать впопыхах трудный менделеевский почерк им было, при всей благожелательности, не с руки. Менделеев после экзамена тоже решил отдохнуть. По некоторым свидетельствам, он на какое-то время уехал в роскошную Одессу, где с удовольствием провел время, занимаясь рыбалкой.
Большая часть петербургского лета ушла на хлопоты, связанные с печатанием работы, встречи с учителями и земляками. Сначала он поселился у академика Брандта — тот просто не отпустил ученика, явившегося к нему с визитом, — а потом снял квартиру на Большой Морской, в доме Вейдле. Это была первая «взрослая» петербургская квартира Менделеева. Город был уже хорошо знакомым, но жизнь потекла новая, поскольку Дмитрий никогда еще не жил в Петербурге сам по себе, самостоятельным человеком — старшим учителем, почти магистром, будущим профессором (все знали, что Менделеев вскоре должен отправиться доучиваться в Европу), наконец, красивым молодым человеком, завидным женихом… Всё вроде складывалось наилучшим образом. Никто в Симферополе и Одессе не затаил против него злых чувств, директора гимназий и сослуживцы писали ему добрые напутственные письма, друзья искренне радовались, а профессора общались с ним как с коллегой. Особым теплом дарили земляки — Протопоповы, Скерлетовы, Ивановы… И, конечно, славная Феозва Лещова, которой он в эти месяцы отправлял письма, пожалуй, чаще всех, а коли писал не ей, то о ней и часто просил что-то передать Физе, о чем-то справиться у нее, уверить в своем особом к ней отношении… Падчерица Ершова, выпускница Московского Екатерининского института и очень начитанная девушка, она была на шесть лет старше Дмитрия, дружила с его сестрой Ольгой. Хотя она очень симпатизировала Дмитрию, но всегда вела себя как заботливая старшая сестра и, как многие другие питерские тоболяки, пыталась в то лето подобрать ему «хорошую партию» — естественно, из своих.