Дмитрий Иванович Менделеев был замечательным образцом учёного, чьи научные интересы в области экспериментального изучения свойств газов и жидкостей были связаны с их практическими применениями в воздухоплавании и кораблестроении.

 Рассматривая по заданию Главного инженерного управления проблему упругости газов и считая вопрос "О сжимаемости газов при столь малых давлениях, какие только можно измерять" весьма важным и требующим разработки, Дмитрий Иванович приходит к мысли о необходимости изучения верхних слоев атмосферы, где «надобно искать зародыш всех погодных изменений, в атмосфере совершающихся». Он тщательно изучает труды знаменитого английского физика Глешера, неоднократно поднимавшегося на воздушном шаре с научными целями. По словам Менделеева, его «так заняла гордая мысль подняться выше знаменитого англичанина и постичь закон наслоения воздуха при нормальном состоянии атмосферы», что он «временно оставил все другие занятия и стал изучать аэростатику».
  В 1875 году Дмитрий Иванович выступил на заседании Русского физического общества при Санкт-Петербургском университете с сообщением «О температуре верхних слоев атмосферы» и предложил использовать для проведения исследований, наряду с автоматическими беспилотными аэростатами, также и пилотируемые воздушные шары с герметически закрытой гондолой. Для этих целей Менделеев разрабатывает программу высотных исследований из 15-20 полётов, проектирует летательные аппараты: стратостат объёмом около 3600 м³ с герметической гондолой, подразумевающий возможность подъёма в верхние слои атмосферы (первый такой полёт в стратосферу осуществлён был только в 1924 году) и управляемый аэростат с двигателем. К сожалению, из-за недостатка средств данные проекты учёного так и не были реализованы.

  В 1878 году Дмитрий Иванович, находясь во Франции, совершил подъём на привязном аэростате Анри Жиффара, а 7 августа (по новому стилю)  1887 года он осуществил свой знаменитый полёт на воздушном шаре «Русский» для наблюдения полного солнечного затмения. Этот шар был предоставлен военным министерством, его объём составлял 700 м³. Место старта располагалось недалеко от города Клина, где солнечное затмение должно было длиться около 2 минут. 

Предполагалось, что Менделеев полетит вместе с пилотом-аэронавтом  А. М. Кованько. Однако, из-за прошедшего накануне дождя повысилась влажность, и шар намок так, что был не в состоянии поднять двух человек. Тогда 53-летний учёный принимает отважное решение – лететь одному, объясняя отговаривающим его ассистентам: "Аэростат — это тоже физический прибор. Вы видите, сколько людей следит за полетом как за научным опытом. Я не могу подорвать у них веру в науку".
  Во время полёта Менделеев наблюдает солнечное затмение, записывает показания барометра-анероида и термометра, а также, проявив невероятную силу духа, устраняет неисправность управления главным клапаном аэростата. Обнаружив, что веревка, идущая от выпускного клапана, запуталась и не позволяет его открыть, Менделеев вылезает из корзины, взбирается по строповке и распутывает её. 

  Весть о необычайно смелом полете русского профессора вскоре стала известна всему миру. "За проявленное мужество при полете для наблюдения солнечного затмения" французская Академия метеорологического воздухоплавания наградила Менделеева диплом и золотой медалью, украшенной девизом братьев Монгольфье "Так идут к звездам". 

   На основании опыта, полученного в ходе полёта, Менделеев выступил с важным техническим предложением: для наполнения аэростатов газом применять особые подушки со сжатым водородом. Открытый учёным способ хранения водорода (в сжатом состоянии в баллонах под давлением 120-200 атмосфер) получил впоследствии широкое применение в современной технике.

    Вопросам воздухоплавания и метеорологии Менделеев посвятил 23 труда. Дмитрий Иванович проявлял большой интерес к работам в этой области и других учёных. Увлечённый идеей постройки различных летательных аппаратов, он всячески поддерживал начинания русских изобретателей - создателя первого в мире самолёта Александра Фёдоровича Можайского и основоположника космонавтики Константина Эдуардовича Циолковского.
   Замечательный патриот, Дмитрий Иванович Менделеев, придававший особенное значение созданию воздушных кораблей как транспортного средства  Poссии, оставил потомкам свой завет – овладеть её воздушным океаном. «У других стран, — писал учёный в своём труде «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», — много берегов водного океана. У России их мало сравнительно с ее пространствами, зато она владеет обширными против всех других … стран берегами свободного воздушного океана. Русским поэтому сподручнее овладеть сим последним, тем больше, что это бескровное завоевание составит эпоху, с которой начнется новейшая история образованности». 

​