1862年，法国化学家尚古多提出了一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。他第一个指出了元素性质的周期性变化，可惜的是他的报告无人理睬。
1864年，德国化学家迈尔在他的《现代化学理论》一书中刊出了“六元素表”。他明确地指出：“在原子量数值上具有一种规律性，这是毫无疑义的。”可惜他制的表中只列出了已知元素的一半。
1865年，英国化学家纽兰兹提出了“八音律”之说。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列在表中，发现元素的性质有周期性的重复，第八个元素与第一个元素性质相近，就好像音乐中八音度的八个音符一样，有相似的重复。纽兰兹的工作同样被否定，有的学者曾挖苦他说：你为什么不按元素的字母顺序排列呢？那样也许会有意想不到的美妙效果。
“三元素组”、“六元素表”、“八音律”虽然都存在这样或那样的错误，但是应该看到，它们也都从不同的角度，逐步深入地探讨了各元素间的某些联系，揭示了局部的规律性，使人们一步步逼近了科学的真理。
这期间，门捷列夫也在倾注精力探索原子量与元素性质之间的内在联系，并紧紧抓住原子量作为各种元素的基本特性去探讨元素性质的演变规律。他对所掌握的大量资料进行比较、核对和验证，做了一番去粗取精、去伪存真的整理工作，对有疑问的原子量，他根据其化学性质并利用原子价、当量、原子量之间的关系作了大胆修订。他对各种元素分类方案，诸如根据元素对氧和氢的关系所作的分类、按金属与非金属的分类、根据化学活性的顺序分类、根据原子价的分类、根据元素的综合化学性质的分类都一一作了认真的研究。在深入研究原子量与原子价时，门捷列夫对各种元素的原子量可以相差很大而原子价的变动范围较小这一情况有很深的印象，而且有许多元素具有相同的原子价，也恰恰是这些元素的化学性质彼此非常相似。他注意到一价元素都是最典型的金属，七价元素都是典型的非金属，四价元素的性质恰好介于金属与非金属之间。这就使他坚信各种元素之间一定存在着统一的规律性。他将元素按原子量的大小顺序排列起来，看到氯和钾的原子量相差不多，但性质截然不同；而钾与钠原子量相差颇大，但性质酷似。在钾以后的元素随原子量的增加其性质又显示出从钠到氯的相似演变。这些现象使他坚信各种元素的性质间存在着周期性变化规律。
1869年2月，门捷列夫发表了第一份关于元素周期律的图表，不久又作了进一步的修正，把自己的思想写在《元素属性和原子量的关系》的论文中，阐述了元素周期律的基本论点：
（1）按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。
（2）原子量的数值决定元素的特征。
（3）应该预料到还有许多未发现的元素，例如会有分别类似铝和硅，原子量介于65～75之间的两个元素。现在可以由已知元素的某些性质，去预测它们的同类元素，从而发现它们。
（4）当我们掌握了某些同类元素原子量之后，可借此修正该元素的原子量。
门捷列夫在这张表中初步实现了使元素系统化的任务，把已发现的63种元素全列进表中。全表有67个位置，尚有四个空位只有原子量而没有元素名称，门捷列夫预示必有与其相对应的尚未发现的元素存在。根据他的周期律，他还先后修正了十多种元素的原子量，实践证明都是正确的。
为什么其他人只发现了元素的周期性而门捷列夫却发现了比周期性具有更大理论价值的周期律呢？主要是门捷列夫在三个方面干得比他人更出色。
首先，他不是机械地利用已知的原子量，而是小心地把可疑的原子量找出来，一一加以校正。别的研究者在这方面比较大意，完全沿用已有原子量数据，导致按原子量排列的元素顺序出现不少差错。第二，门捷列夫觉得别人研究元素分类时，只重视原子量却忽视了对元素的各种性质的综合研究。这使他们所排的元素经常错位。门捷列夫排列元素位置时非常重视对多方面性质的综合考虑。为此他曾把当时已知元素的相关信息制成63张卡片，反复琢磨，在玩着特殊的牌，以至于有些人误认为他不务正业。第三，门捷列夫周期律不但能演绎出当时已知元素的性质，而且还能预言未知元素的性质。当他在根据原子量递增呈现周期性变化遭到破坏和中断时，这位卓越的科学家坚信自然界不可能有这样的断层。于是他大胆地预言自然界中必有尚未被发现的元素存在。他根据大自然应有的和谐规律，准确预言了这些尚未被发现的元素属性。他在一篇文章中写道：“紧接着锌后面，应该是具有原子量接近68的一种元素。因为这种元素在第Ⅲ族，紧接在铝下面，所以我把它叫类铝。它处在铝和钅因之间的位置上，因此具有接近这两种元素的性质，它在金属状态时比重接近6。这种金属性质在各方面应该是从铝的性质向钅因的性质过渡。完全可以设想，这种金属将比铝具有更大的挥发性，因此可望在光谱的研究中发现。”四年后，法国化学家布瓦德朗在用光谱分析锌矿时发现了一种新元素，正是类铝，即镓。门捷列夫获悉布瓦德朗发现镓的报告后，立即寄去了一封信。说镓正是类铝，不过镓的比重不是4.7，应在5.96～6.0之间。看完信，布瓦德朗十分震怒，镓是他首先发现的，远在千里之外的异国他乡的门捷列夫却武断地指责镓的比重测量不准确！严谨的科学作风促使他又重新提纯了镓，结果是5.94，这使他惊讶不已。门捷列夫所预言的类硅在1886年由德国化学家文克勒所发现。他把这种元素命名为锗。当文克勒看到自己发现的锗与门捷列夫预言的类硅性质十分吻合时，惊叹不已（比较见下表）。他说，再也没有比“类硅”的发现能这样雄辩地证明元素周期律的正确性了。它不仅证明了这个有胆识的理论，还扩大了人们在化学方面的眼界，而且在认识领域里也迈进了一步。
元素类硅（1871年）锗（1886年）
原子量7272.32
比重5.55.47
原子体积13.013.22
原子价44
比热0.0730.076
氧化物比重4.74.703
氯化物比重1.91.887
四氯化物沸点100℃以下86℃
乙基化合物沸点160℃160℃
乙基化合物比重0.961.0
门捷列夫题为《元素性质和原子量的关系》的文章，就像但丁神曲。他科学地预言道：“按原子量的大小排列起来的元素在性质上呈现明显的周期性变化”，“原子量的大小决定了元素特征”，“应该预料到许多未知元素的发现”，“知道了某些元素的同类元素以后，有时可以修正该元素的原子量。”
门捷列夫认为，科学的目的是要在多样性中追求统一性。化学的目的不但要描述化合物的多样性，而且还要揭示隐藏在复杂现象中的统一性。科学研究中单纯地积累事实是很不够的。
关键要对世界的和谐性有一个完整认识，要善于把局部知识协调组织起来。门捷列夫将丰富的感性材料加以去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里地改造制作，归纳出一个自然界的规律——元素周期律。周期律的巨大魅力触发了人们探索新元素的激情。周期律就像原子世界的地图，指导着人们去发现新元素，研究新问题。在元素周期律的指导下，新元素以惊人的速度投入化学家的怀抱。短短的28年中人类就发现了十多种新元素，太令人振奋了。
由于元素周期律的巨大成功，门捷列夫几乎被各种荣誉淹没了。但他却泰然处之，仍然勤奋地工作，不懈地进行科学探索。他说：“对于我来说，最好的休息就是工作。停止工作，我就会烦闷而死。”
1907年2月2日，这位勤奋工作了一生的伟大科学家在自己的写字台旁与世长辞。除了不朽的元素周期律外，他还给世人留下了500多种科学著作。为了永远纪念这位伟大的科学家，1955年美国科学家把新发现的101号元素，命名为钔（Md）。