В Тобольск Менделеевы приехали с шестью детьми. В 1832 году у них родился сын Павел, а в 1834-м — Дмитрий. Вообще-то он был 17-м ребенком, выношенным Марией Дмитриевной. Но ко времени его появления на свет девять уже умерли (троим не успели даже дать имена, поэтому в ряде публикаций говорится о 14-ти детях). Дмитрий Иванович называл себя «последышем».
В год рождения Дмитрия семью Менделеевых постигло несчастье, вызвавшее крупную перемену в ее жизни. Вследствие развившейся на обоих глазах катаракты Иван Павлович ослеп и вынужден был выйти в отставку. На пенсию (1100 руб. ассигнациями или 300 руб. серебром в год) семье из десяти человек прожить крайне трудно. И хотя через год удачная операция в Москве вернула Ивану Павловичу зрение, однако вновь поступить на службу возможности не представлялось. Лишь изредка удавалось заработать перепиской или корректурой. Все заботы по содержанию большой семьи, поиску средств к существованию свалились на Марию Дмитриевну.
Жена и мать не пала духом, не растерялась: сказалась ее энергичная корнильевская натура. Она списалась с жившим в Москве братом, Василием Дмитриевичем, и получила от него доверенность на управление доставшимся брату по праву наследования небольшим стекольным заводом Корнильевых. Заводик находился в селе Аремзянка в 25 км от Тобольска, куда и пришлось переехать семье. Здесь Мария Дмитриевна, чтобы поднять производство, взяла в свои руки ведение заводских дел, а так как на большие доходы от этого рассчитывать все равно не приходилось, то занялась еще и сельским хозяйством.
В Аремзянке прошли ранние годы Мити. Он рос на лоне природы, не зная стеснений, играл со сверстниками — детьми местных крестьян и заводских рабочих, по вечерам слушал сказки няни и рассказы доживавшего у них свой век старого солдата о героических походах А. В. Суворова. Стоит заметить, что впоследствии портрет Суворова висел у Д. И. Менделеева в кабинете, в ряду портретов тех деятелей, которых ученый особенно почитал.
Вспоминая свои детские годы, Дмитрий Иванович говорил, что мать воспитывала его примером и любовью. Она его не наказывала, но когда он огорчал ее какими-нибудь шалостями или непослушанием, только плакала, и это было для него самым тяжким наказанием.
Тем временем старшего сына Менделеевых Ивана определил в благородный пансион при Московском университете и взял на себя оплату его содержания дядя Василий, дочери Ольга и Екатерина вышли замуж, расходы семьи уменьшились, и Мария Дмитриевна посчитала, что ради младших детей, которым предстоит учеба в гимназии, надо сократить хлопоты по заводу, проводить больше времени в Тобольске. Митя не отставал в развитии от старшего на два года Паши, в пять с половиной лет уже умел читать и писать, в шесть — удивлял взрослых способностью считать, а в семь был вполне готов к поступлению в гимназию вместе с Пашей, хотя туда и с восьми-то лет принимали в исключительных случаях. Его все-таки приняли. Но, как вспоминал потом Дмитрий Иванович, «с условием, чтобы в 1-м классе я пробыл непременно 2 года. Учился я тогда, кажется, не худо, но по малолетству так и остался в 1-м классе на два года. Переходил затем без задержек и кончил 15-ти лет».