大量元素的发现以及原子量的精确测定，使人们开始探讨元素性质与原子量的变化关系。很早以来，化学家就知道了某一类元素具有相似的化学性质，将这些元素按原子量大小排成一列，则可以发现列中每一元素的原子量大致等于前后元素原子量的平均值。有关这类数值关系的探讨十分活跃，形成了发现元素周期律的先声。最终提出元素周期律的是俄国化学家门捷列夫。
门捷列夫生于西伯利亚，是一大家兄弟姐妹中最小的一个。父亲是当地一所中学的校长，在门捷列夫很小的时候，就因双目失明而退休。沉重的家庭负担落在了母亲的肩上。这个刚毅的女人开了一家玻璃厂维持一家的生计，勉强带大了所有的孩子。1848年，门捷列夫的父亲去世了，母亲的工厂也因失火倒闭。他本人刚刚高中毕业，随母亲来到了莫斯科，想上大学，可是没有一所大学愿意对他敞开大门。1850年，母亲又带着他到圣彼得堡，在朋友们的帮助下，他终于进入圣彼得堡师范学院。在安排妥当小儿子的前途之后，这位伟大的母亲就去世了。门捷列夫后来将自己的著作献给母亲时说：“她通过示范进行教育，用爱来纠正错误，她为了使儿子能献身于科学，远离西伯利亚陪伴着他，花掉了最后的钱财，耗尽了最后的精力。”门捷列夫没有辜负母亲的厚望，他在大学里刻苦学习，以第一名的成绩完成了学业，并赴法国和德国深造。他参加了1860年那次著名的卡尔斯鲁厄化学大会，坎尼查罗的论文给他留下了深刻的印象。次年，门捷列夫回国，在圣彼得堡工艺学院任教，1865年被圣彼得堡大学聘为化学教授。
1869年，门捷列夫发表了他关于元素周期性质的研究，提出了元素性质与元素的原子量之间存在周期性变化规律，并给出了第一张元素周期表。在俄罗斯化学协会的例会上，门捷列夫请人宣读了他的论文《元素性质与原子量的关系》（他本人因病未能出席）。文中提出了元素周期律的两大基本要点：第一，元素按照原子量的大小排列后，呈现出明显的周期性；第二，原子量的大小决定元素的特征。门捷列夫运用了前人创造的原子价的概念对元素进行分类。所谓原子价就是该原子与其他原子结合的能力。原子价为1的原子可以与一个其他原子结合，原子价为2的原子可以与两个其他原子结合等。门捷列夫发现，按原子量大小排下去，原子价的大小会出现周期性。这样，他将相同原子价的元素排在同一竖栏，形成了周期表。
门捷列夫在发表周期表的同时，将它们的副本寄给了欧洲各国的同行，使他们及时地了解他的工作。其实，与门捷列夫同时，德国化学家迈耶尔也于1869年给出了他所得到的元素周期表。虽然开列的元素数目少一些，但揭示的规律性基本与门捷列夫相同。不过，门捷列夫除了将当时已知的63种元素全部列入表中外，还留下了一些空位。这些空位标有原子量，但没有名称，因为当时还没有发现这些元素。空位表现了门捷列夫周期表的预测性。
第一张周期表公布之后，门捷列夫继续深入研究，运用新发现的周期律反过来修正了不少元素的原子量。因为既然原子量决定了元素的化学性质，那么从其化学性质以及它在周期表中的相关位置，可以推测出它的实际原子量。1871年，门捷列夫发表了修正后的第二张元素周期表。
像所有新生事物一样，门捷列夫周期表一开始也遭遇了怀疑和嘲笑。但是，没过几年，化学家相继发现了门捷列夫在周期表的空位中所预言的那些元素，人们终于认识到元素周期表的巨大意义。
门捷列夫一下子成了国际知名的大化学家、俄国人心目中的科学英雄，可是他并没有得意扬扬，依然保持着昔日平易近人和谦虚谨慎的作风。他也没有与迈耶尔发生过优先权之争，虽然他的工作在后发表在先。他们两人后来很友好地见过面。门捷列夫高度称赞迈耶尔的成就。门氏还是一位进步的科学家，曾公开抗议沙皇迫害学生的行为。据说，正是因为这次抗议，他没有被选上俄罗斯帝国科学院的院士。1906年，他以一票之差未能获得诺贝尔化学奖，但他不朽的科学业绩已永远载入了科学史册。
