Герметически закрытый цилиндр, имеющий два вывода через тонкие металлические трубки, помещен в другой, цилиндрический сосуд, наполненный водой (водяную ванну). Одна из трубок снабжена краном, при помощи которого воздух в сосуде может соединяться с атмосферой (атмосферный воздух предварительно осушается в трубке с хлористым кальцием). Другая трубка герметически соединена манометрической трубкой, до половины заполненной нефтяным маслом. Обыкновенные краны исключены из устройства высотомера; они заменены коническими запорами или винтовыми кранами. Принцип действия прибора Менделеева прост: периодически открывая кран, можно легко определить изменение атмосферного давления по манометру.
Занимаясь исследованиями упругости газов в 1870-х г., Д. И. Менделеев столкнулся с необходимостью весьма точного определения атмосферного давления. Работа с очень точным, но весьма сложным и громоздким ртутным барометром была крайне трудоемкой, потому учёный решил определять не абсолютную величину атмосферного давления, а точное значение его изменения. С этой целью он и создал дифференциальный барометр.
Манометрической жидкостью данного барометра служило т. н. нефтяное масло — тяжелые продукты перегонки бакинской нефти с температурой кипения свыше 350 С. Достоинствами этой жидкости были низкая упругость паров и большая подвижность. А, главное, плотность нефтяного масла была в 15–16 раз меньше плотности ртути, а потому «всякие изменения в давлении окажутся на манометре, наполненным нефтяным маслом, увеличенными в 15–16 раз против тех изменений, которые в то же время произойдут в ртутном барометре».
Поразительно точный, компактный и удобный в работе в работе прибор привлек внимание на Международной выставке в Лондоне в 1873 г., а затем и в 1876 г. В 1875 г. отмечен золотой медалью на Международной географической выставке в Париже.