门捷列夫一生勤奋地从事化学研究，终于发现了自然科学的重要定律之一——元素周期律，并据此预见了一些当时尚未发现的元素。元素周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究，成为现代有关物质结构理论发展的基础。
1834年2月8日，门捷列夫生于俄国贫寒的中学教员家庭。他天资聪颖，勤奋好学，少年时父亲去世，由母亲抚养，母亲希望日后他能成为一个对社会有用之才。1855年，门捷列夫毕业于彼得堡师范学院，当过中学化学教师。1859年至1861年在德国海德大学进修，在那里，门捷列夫结识了一大批著名的化学家，有德国的，还有法国、意大利的。他们有关区别原子量与分子量的主张对门捷列夫产生了重大影响。回国后，他在著名的彼得堡大学任教，博学多才的他，讲授的课程妙趣横生，深受学生喜爱。不久他就成为彼得堡大学首屈一指的化学教授。与此同时，他还在研读前人的科学论著，搜集了大量的科学文献资料。
1869年，门捷列夫开始教授无机化学这门课程。他发现这门课的内容太陈旧，迫切需要一本能反映最新科学发展水平的无机化学教科书。于是，他决定编一本新的教材，并取名为《化学原理》。经过两年的努力，他完成了《化学原理》第一卷，但是，当他从事第二卷的著述时，遇到了困难。这一卷要论述到化学元素的性质，可是，它们的次序应该怎样排列呢？当时化学家们在论述这个问题时，有的先讲氢，因为它最轻；有的先讲氧，因为它最为常见；有的先讲铁，因为它使用得最多。门捷列夫认为：之所以产生这种现象，是因为化学家们还不清楚化学元素之间排列的规律。他决心找出化学元素性质变化的规律，并把它写进《化学原理》中去。
为此，门捷列夫制作了60多张卡片，在每张卡片上都写了该元素的名称、原子量、化合物的化合价和主要性质以及有关它的已知材料。以什么为依据来编排元素的顺序呢？经过反复比较，门捷列夫终于发现只有按照元素的原子量来编排才是最理想的，因为每种元素的原子量都有确定的数值，而且当时已经知道的60多种元素的原子量彼此都不相同。他排成了一张表，在这张表中，各种元素的性质随着原子量的增加，而大致呈现出周期性的变化。
然而，在排列过程中，门捷列夫遇到了一些特殊情况。这些情况很难处理。比如铍这个化学元素，如果按原子量顺序来排列，应该插在碳和氮之间，但显然是多余的；而锂和硼之间，却又好像少了一个元素。“会不会是铍的原子量弄错了呢？”门捷列夫大胆地提出了这个疑问。铍的当量是4.5，这是通过实验得到的不会有问题，但化合价是推测出来的。当时人们认为铍的性质像铝，因而把它的化合价与铝定为一样，都是 3价，而原子量是化合价乘以当量计算出来的，因此铍的原子量是13.5（碳的原子量为12，氮的原子量为14）。如果它的性质不像铝而像其他什么元素，原子量就会不同。
门捷列夫查阅了大量资料，结果发现，铍的性质也很像镁，而镁的化合价为 2价。这样铍的原子量成为6，正好排在锂（原子量为7）和硼（原子量为11）之间。这一突破极大地鼓舞了门捷列夫，他又用类似的办法，大胆更正了好几个元素的化合价和原子量，从而使这些元素在排列中回到它们应有的位置上。
但新的问题又出来了：比如钙的原子量为40，而在它后面的钛的原子量，却猛增到50.按周期性排列的元素之间在原子量和性质上上下脱节！门捷列夫苦苦地思索，终于想到，现在的60多种元素不会是自然界现存的全部元素，今后还会有新的元素被发现。他设想在钙和钛之间，还会有一个至今仍未发现的元素，它迟早会被人们发现，所以应该在钙的后面，给这个未发现的元素留下一个空位。门捷列夫称之为“类硼”，并预言了它的一些主要性质。
门捷列夫在排列时还发现，锌后面应该是砷，但砷的性质和磷相似，应该放在磷下面。于是他又大胆推测锌与砷之间还有两种元素未被发现，门捷列夫把这两个位置空了出来，并称之为“类铝”和“类硅”，并同样预言了它们主要的性质。
就这样，35岁的门捷列夫在化学元素符号的简单排列中，发现了化学元素周期律。1869年，门捷列夫发表了世界上第一张化学元素周期表。发表后，不少化学家对它表示怀疑。特别是对他预言并描述当时还未发现的类硼、类铝和类硅三种元素，表示不可理解。甚至有人认为门捷列夫是想入非非。连他的导师也告诫他要踏踏实实做些实事，别再不务正业了。然而，门捷列夫坚信，周期律是科学的，它一定经得起实践的检验。
1875年，门捷列夫在法国科学院院报上看到一篇报道：法国化学家布瓦博德朗发现了一种新的元素——镓。门捷列夫认为它的性质和自己预言过的类铝很相似，但这种新元素的比重是4.7克/立方厘米，与他预言的比重5.9～6克/立方厘米差距较大，这是为什么呢？门捷列夫再次核算了一遍，认为自己的预言是正确的。于是他给布瓦博德朗写了一封信，告诉他镓的比重测错了。布瓦博德朗接信后大吃一惊，这位法国化学家按照门捷列夫的建议重新提炼了镓，并再次测定了它的比重。完全证实了门捷列夫的科学预言。就这样，法国科学家用实验的方法，证明了元素周期律的科学性。这件事在欧洲引起了巨大反响，许多科学家根据门捷列夫创制的元素周期表，去探索尚未发现的元素。欧洲几十个著名的实验室，都在紧张地工作，他们渴望新发现。
1880年，瑞典两位化学家发现了一种新元素——钪，这就是门捷列夫预言过的类硼；1886年，德国化学家文克列尔用光谱分析法发现了一个新元素——锗，这就是门捷列夫预言过的类硅。早在1871年，门捷列夫还曾预言过11种未发现的元素，并且指出了它们应排列的位置和原子量等。以后陆续被发现的新元素氦、氖、镭、铼、锝、砹等，再次证明了周期律确实是普遍适用的。周期律作为一个基本定律，有力地促进了现代化学和物理学的发展。
由于发现了化学元素周期律，门捷列夫顺利地写出了《化学原理》第二卷。这是世界上第一部以化学元素周期律为纲的无机化学教科书。
门捷列夫晚年继续勤奋地工作。1887年，他根据溶剂与溶液相互作用的原理，创立了溶液水代理论，之后又提出煤在地下气化和以化学精炼石油的主张。1902年2月2日，门捷列夫病逝，几万人自发地参加了他的葬礼。在送葬的队伍中，有人高举着一条巨大的横幅，上面画着这位伟大化学家所创制的元素周期表。