В 1903 году Менделеев начинает активно работать над самой известной своей книгой «Заветные мысли». Название этого классического труда использует два значения слова «заветные» — в смысле «сокровенные, потаенные» и образованное от слова «завет». Причем второй, редко встречающийся смысл был для Менделеева, очевидно, главным, что еще раз демонстрирует семантическое своеобразие его речи. Первое значение, заявленное с начальной строки очередным цитированием тютчевского Silentium'a, еще более подчеркивало необходимость прямой передачи мыслей потомкам, «когда в сознании выступает неизбежная необходимость и полная естественность прошлых и настоящих постепенных, но решительных перемен». По содержанию это была мощнейшая, универсальная попытка осмыслить вчерашний, сегодняшний и завтрашний день России в контексте мировой экономики, истории и политической географии.
Автор публиковал свой труд выпусками (всего их было четыре), по мере написания. Изложены «Мысли» еще более сложным, нежели предыдущие работы, языком. По степени насыщенности философскими, экономическими и естественно-научными идеями, новыми, присущими только автору, речевыми смыслами, по образности, страстности и полной раскованности изложения это произведение, пожалуй, не имеет себе равных даже среди менделеевских текстов. Степень его творческой свободы здесь такова, что позволяет автору двигаться в любую сторону уже написанного текста — возвращаться, дополнять, объяснять, предъявлять дополнительные доказательства. Читающему временами кажется, что в некоторых главах ученый в чем-то повторяется, пишет об одном и том же; но потом приходит понимание, что именно так и должно быть в текстах, выходящих из-под пера просветителя и адресованных озлобленной, разобщенной интеллигенции и правителям, не знающим, куда вести свой темный и делающийся всё более опасным народ. Именно поэтому к уже известным тезисам он неустанно подбирает всё новые и новые аргументы, выкладки и расчеты.
Первым было опубликовано «Вступление», посвященное сельскому хозяйству, в котором Менделеев изложил свои взгляды на этот вид деятельности как на одну из отраслей промышленности и на способы включения крестьян в другие, индустриальные виды производства. Одна из его главных мыслей — о необходимости развивать в первую очередь именно индустриальное производство, что само собой обеспечит рост сельского хозяйства.
Вторая глава «Народонаселение» представляет собой анализ демографических проблем, влияющих на экономику, торговлю и благосостояние народов. О России здесь говорится мало. Временами кажется, что автор чересчур увлекся вычислениями, которые он обожал и считал видом отдыха. Но текст тем не менее оказывается очень интересным с точки зрения ведущегося в нем (чаще подспудно, но иногда полностью всплывая на поверхность) спора автора то с Мальтусом, а то с древнегреческими мудрецами или с Жан Жаком Руссо и графом Львом Толстым, которые, по его мнению, не умеют поставить вопрос о реальных нуждах людей. Менделеев вычисляет оптимальное количество населения с точки зрения обеспеченности его всем необходимым, распределяет его по возрастам, высчитывает естественную прибыль и убыль… В конце главы автор неожиданно отказывается от каких бы то ни было выводов, считая, что предложенные им выкладки и суждения сами по себе дают достаточную пищу для размышлений. Далее он вообще предлагает читателю считать данную главу «отдельным этюдом».