1869年3月6日，在圣·彼得堡大学召开的俄国化学会上，学会委员门舒特金代替因患病未能出席的该大学教授门捷列夫博士宣读了题为“元素的性质和原子量的关系”的论文，标志着被恩格斯誉为“化学史上的一个勋业”的元素周期律的发现。
到1869年，科学家们已经认识了63种元素并确立了原子量和原子价，详细研究了物理及化学性质。不过这些资料仍繁杂而纷乱，化学家们纷纷开始探讨原子量与元素性质间的关系——以寻求事物的秩序和统一性。门捷列夫在这样的背景下推出了他的元素周期说。
元素周期律及其图表说明元素的性质是受原子量支配的，随着元素原子量的增加，各种元素性质间存在着周期性变化的规律。门捷列夫把所有的元素按原子量最小开始依次排列起来。横行代表周期，竖列则收容了性质类似的元素。竖列元素的差异按原子量的递变顺序显示一定的规律性。列与列之间随列的变化，原子价和元素的物理、化学性质也呈规律性变化。各个元素都被井然有序地镶嵌在12个横行，8个竖列里。其中有些空位是留给那些预想到将来一定会发现的元素的。
门捷列夫根据元素周期律预言了尚未被发现的新元素的存在并修正了某些元素的原子量。镓、钪、锗元素的相继发现证实了门捷列夫的预言。
周期律的建立，使化学研究从只限于对大量个别的零散事实作无规律的罗列中摆脱出来，奠定了现代无机化学的基础。1882年，门捷列夫因此得到了英国皇家学会的最高荣誉——戴维奖章。