Фонды Музея-архива Д.И. Менделеева включают в себя музейный фонд – личные вещи Д.И. Менделеева, мемориальную мебель из квартиры ученого, портреты Д.И. Менделеева и членов его семьи. Особой частью музейного фонда является коллекция научных приборов ученого, причем большинство их создано по его оригинальной конструкции.
Второй частью музейной коллекции является научный архив Д.И. Менделеева –  рукописи, письма, рабочие наброски, дневники, записные книжки ученого – численностью свыше 14 000 единиц хранения. В настоящее время это наиболее крупное собрание документов, относящихся к его жизни и деятельности.
Особую ценность представляет личная библиотека Д.И. Менделеева, насчитывающая более 16 000 единиц хранения, собранная им на протяжении всей научной деятельности и отражающая все разнообразие его научных, общественно-политических и эстетических интересов. От других книжных собраний библиотеку Д.И. Менделеева отличает ряд особенностей, прежде всего, строго продуманная система расстановки и хранения книг, оттисков, статей, газетных вырезок, изобразительных материалов. Большинство томов составлено самим Д.И. Менделеевым и переплетено по его указанию в тома – «конволюты», на корешке переплета которых указана общая тематика статей тома, год издания, номер тома по каталогу и инициалы «Д. М.».
Ученым было составлено несколько каталогов библиотеки.  Одним из первых был предметный карточный каталог, отражавший основные разделы библиотеки. Кроме тематического, Менделеев составил и авторский каталог. Совершенствуя каталоги, Менделеев стремился не только найти ключ, облегчающий пользование библиотекой, но и обобщить весь материал и в компактной форме зафиксировать основные направления, по которым шло накопление книг. Именно в каталогах в наиболее полной и совершенной форме выражается целостное единство, которое представляет собой библиотека ученого.
Отличительной чертой библиотеки Д. И. Менделеева является также наличие в ее томах рукописных материалов. Несколько томов содержат исключительно рукописи, которые представляют собой как выписки из литературы по определенной теме, так и собственные заметки ученого - например, относящиеся к его работам, связанным с пересмотром таможенного тарифа России, а также к разработкам нового типа бездымного пороха. Многочисленные записи на полях и на свободных местах книг менделеевской библиотеки ставят ее в один ряд с архивными материалами. Можно даже сказать, что библиотека в какой-то мере является центром научного наследия Д. И. Менделеева и представляет собой эталон, по которому осуществлялась систематизация других материалов.
По тематике книги библиотеки относятся, в основном, к различным вопросам естествознания, в первую очередь, к химии. Существенное место в библиотеке Менделеева занимают социально-экономические и философские труды. Здесь не только литература общего характера, но и статистические таблицы переписей населения. Обширно собрание работ, посвященных развитию производительных сил России.
Многие книги и статьи были получены Д.И. Менделеевым в дар и снабжены дарственными надписями крупнейших русских и иностранных ученых: А.М. Бутлерова, Н.А. Меншуткина, И.М. Сеченова, В. Рамзая, М. Бертло, Д. Дьюара , Г. Роско, В. Оствальда, и других.
Особое место занимает собрание сочинений Д.И. Менделеева, составленное самим автором, куда включены и некоторые его рукописи, портреты и чертежи.
Художественная литература, собранная ученым, по существу, отражает все основные направления русской и зарубежной беллетристики прошлого столетия: Пушкин, Лермонтов, Гоголь, Толстой, Салтыков-Щедрин, Шиллер, Данте. Список можно было бы продолжить. И это не считая научно-фантастической или приключенческой литературы, представленной сочинениями Дюма, Майн-Рида, Жюль-Верна, Купера, Эмара. Научная фантастика иногда оказывается вплетенной в тома-конволюты вместе с научной литературой и оттисками статей, свидетельствуя, что Менделеев придавал этому жанру серьезное значение.
Отдельной частью архива является художественная коллекция, собранная Д.И. Менделеевым. Коллекционирование репродукций и картин было любимым занятием ученого. В собрании Д.И.  Менделеева было 25 альбомов, не считая тех, которые он составлял во время путешествий. Все было тщательно систематизировано, к каждой репродукции сделана аннотация. К архиву также относятся обширный фонд фотодокументов и собрание почетных дипломов Д.И. Менделеева, собранных им в специальные альбомы.