1789年，拉瓦錫在對元素進行分類時，就試圖探求過元素的內在聯繫。他提出的第- -張元素表把元素 分為四類：氣體元素、金屬元素、非金屬元素和能成鹽的土質元素。但他把光和熱歸為氣體元素，把石灰和氧化鎂歸為土質元素，這是憑主觀經驗分類的。後來，人們依元素的性質，將其歸為幾族。有人稱滷素為造鹽元素，有人把長期置於空氣中不被腐蝕的銅、銀、金稱為貴精髓。這些分類方法都帶有很大的任意性。
德國化學家德貝賴納在1829年對元素的原子量和化學性質之間的關係進行過研究。他在當時已知的54種元素中，發現幾個性質相似的元素組，每組包括三種元素：鋰、鈉、鉀；鈣、鍶、鋇；氯、溴、碘；硫、硒、碲；錳、鉻、鐵。且每組元素的中間哪種元素的原子量，約為前、後兩種元素原子量的算術平均值。由於他的三元素組局限於部分元素，且當時原子量測定工作尚處在混亂之中，因而未引起人們的重視。後來當原子量的測定日益精確，便暴露了三元素組有失真的地方。不過，德貝.賴納的工作對後人是有啟發的。
1860年後，化學家們逐步認識到元素的性質和它們的原子量之間可能存在著某
種函數關係，於是試圖從元素整體.上來探討這一規律。1862年法國地質學家尚古多把元素按其原子量大小，有順序地標在圓柱體表面的螺旋線上，注意到元素性質隨其原子量的變化具有周期性。
1865年，英國化學家歐德林按原子量排列元素的順序，初步排列出今天元素周期表中的滷族、氧族、氮族等列，雖然錯誤不少，但比尚古多的螺旋圖前進了一一步。
1866年，英國化學家紐蘭茲發表了題為《八音律與原子量數字關係的起因》的論文，他按原子量大小給元素編上序號，把它們的序號依次排列，他看出了有類似於音樂中的八音階的規律。由於他既沒有考慮到尚有未發現的元素，也沒有估計到他所用的原子量有誤，致使他未將元素間的規律揭示出來。
在前人工作的基礎上，俄國化學家門捷列夫與德國化學家邁爾通過各自的研究，都在1869年同時發現了化學元素周期律。
1868年，邁爾繪製出了《原子體積周期性圖解》,揭示出化學元素的原子量和原子體積間的關係。1869年，他又製作了- -張化學元素周期表，表中不但明確按原子量遞增的順序來排列元素，而且也留下一些空格來表示未知元素。不過，邁爾的研究側重於元素的物理性質。對比他們二人在1869年公布的元素周期表，邁爾對元素的族劃分得更細緻，並在表中初步形成過渡元素族。
門捷列夫幼年居住於西伯利亞，對科學知識有極大興趣。1850年，他進入彼得堡的中央師範學院學習，畢業後曾擔任中學教師，後任彼得堡大學副教授。
1867年，門捷列夫為了系統地講好無機化學課程，著手著述一本普通化學教科書《化學原理》。在著書過程中，他遇到一個難題，即怎樣用一種合乎邏輯的方式來組織當時已知的63種元素。門捷列夫仔細研究了63種元素的物理性質和化學性質，又經過幾次並不滿意的開頭之後，他想到了一個很好的方法對元素進行系統的分類。
門捷列夫準備了許多類似撲克牌一樣的卡片， 將63種化學元素的名稱及其原子量、氧化物、物理性質、化學性質等分別寫在卡片上。門捷列夫用不同的方法去擺那些卡片，用以進行元素分類的試驗。最初，他試圖像德貝賴納那樣，將元素分為三個- -組，得到的結果並不理想。他又將非金屬元素和金屬元素分別擺在-起，使其分成兩行，仍未能成功。接著，他用各種方法擺弄這些卡片，都未能實現最佳的分類。
1869年3月1日這天，門捷列夫仍然在對著這些卡片苦苦思索。
他先把常見的元素族按照原子量遞增的順序拼在--起，之後是那些不常見的元素，最後只剩下稀土元素沒有全部「入座」，門捷列夫無奈地將它放在邊上。從頭至尾看- -遍排出的「牌陣」,門捷列夫驚喜地發現，所有的己知元素都已按原子量遞增的順序排列起來，並且相似的元素依一定的間隔出現。第二天，門捷列夫將所得出的結果製成一張表，這是人類歷史上第- -張化學元素周期表。在這個表中，周期是縱行，族是橫行。在門捷列夫的周期表中，他大膽地為尚待發現的元素留出了位置，並且在其關於周期表的發現的論文中指出：按著原子量由小到大的順序排列各種元素，在原子量跳躍過大的地方會有新元素被發現，因此周期律可以預言尚待發現的元素。
門捷列夫汲取了邁爾周期表的長處，對周期表繼續進行更深入的研究，並在1871年12月，與他的論文《化學元素周期性依賴關係》同時發表了第二張元素周期表。在這張周期表中，將原來的豎行改成橫排，使同族元素處於同一豎行中，突出了化學元素性質的周期性。在同一族裡，也像邁爾一樣劃分了主族和副族，使元素的周期性更加明顯。他大膽地修正了一-些已被公認的元素的原子量，如In、La、Y、Er、Ce、Th、U等。他把尚未發現元素的空格由原來的四個增至六個，並且還預言了它們的性質。如對「類鋁」、「類矽」等的預言，準確得令人驚奇。
門捷列夫在《化學元素周期性依賴關係》一-文中，確立了元素周期律，即元素(以及由它形成的單質或化合物)的性質周期性地隨著它們的原子量的改變而改變。
周期律的要點如下：
●若把元素按原子量的大小排列，明顯地呈現出性質上的周期性變化。
●化學性質相似的元素的原子量，有些作有規律的增大，如鉀、銣、銫；有些則近於相等，如鋨、銥、鉑。
●元素的族的順序，與其化合價相當。
●原子量較小的幾種元素， 它們在性質上差異較大，分散在各族
裡，是各族有代表意義的元素。
●原子量的大小決定元素的特徵。
●元素的原子量，可借與其相鄰各元素的性質及原子量進行校正，碲的原子量不應是128,而應介於123^ 126之間。可以預測尚未被發現的元素，例如「類鋁」和「類矽」的原子量應介於65~ 75之間。
化學元素周期律的確立，使化學從對個別元素的零星事實的羅列中，揭示出了化學元素之間存在的自然關係，把所有化學元素納入一一個完整的體系，使化學進入了系統化的階段，特別是對無機化學進行了一次大綜合。這把過去研究過的無機物如氧化物、氫化物以及酸、鹼、鹽等，都納入一個系統的理論體系之中，並對各種化學元素及其化合物的性質作了統一說明。
1869年出版的《化學原理》一書，不但是按照元素周期系編寫的一本化學教學參考書，而且也標誌著化學教本不再是各種元素和它們的化合物的資料的堆集，而是成了一個系統化的體系。