19世纪以来，随着分析化学的发展、电化学的兴起以及光谱学的进步，到1869年已发现了63种元素。关于各种元素物理及化学性质的研究资料也已积累得相当丰富。原子－分子学说到1860年卡尔斯鲁厄会议以后，得到了公认。原子量、当量、分子量问的关系经过曲折的发展过程终于得到澄清，很快有了统一正确的原子量。原子价学说的确立又进一步揭示了元素化学性质上的一个极重要的方面，阐明了各种元素相化合时在数量上所遵循的规律。于是各种元素之间是否存在着内在联系的问题便引起了科学家们的思考。到了19世纪后期，解答这个问题的时机逐渐成熟。
◆化学元素周期律的发现者——门捷列夫
门捷列夫(1834～1907)是俄国化学家，他的最大贡献是发现了化学元素周期律，今称门捷列夫周期律。1955年科学家们为了纪念元素周期律的发现者门捷列夫，将101号元素命名为钔。
1869年2月，门捷列夫编制了一份包括当时已知的全部63种元素的周期表。同年3月，他委托缅舒特金在俄国化学会上宣读了题为《元素的属性与原子量的关系》的论文，阐述了元素周期律的要点。1871年，他又发表了《化学元素周期性的依赖关系》论文，对化学元素周期律做了进一步阐述。他还重新修订了化学元素周期表，把1869年竖排的表格改为横列，突出了元素族和周期的规律性；划分了主族和副族，使之基本上具备了现代元素周期表的形式。
元素周期律的发现掀起了人们发现新元素和研究无机化学理论的热潮。元素周期律的发现在化学发展史上是一个重要的里程碑，它把几百年来关于各种元素的大量知识系统化起来，形成一个有内在联系的统一体系，进而使之上升为理论。
门捷列夫还曾研究气体和液体的体积与温度和压力的关系，于1860年发现气体的临界温度并提出了液体热膨胀的经验式。1865年研究了溶液的性质，提出了溶液的水合物学说，为近代溶液学说奠定了基础。1872～1882年，他和他的学生准确地测定了数种气体的压缩系数。
◆元素周期表的完善
1869年，俄国化学家门捷列夫对前辈的工作进行了认真的研究、核对；对已掌握的大量化学事实做了对比、验证，努力从中探寻各种规律；对于有疑问的原子量，他根据该元素的化学性质、原子价、当量，做了一些校正；他根据各种元素对氧和氢的关系、金属性和非金属性、相对化学活性、原子价等等将它们加以分类。从中他特别注意到：各种元素的原子量可以相差很大，而原子价的变动范围则较小；同价的元素即使原子量相差很大，但性质可以非常相似；所有一价元素都是典型的金属，7价元素都是典型的非金属，4价的元素性质则恰好介于这两类元素之间。这就使他坚信，各种元素之间一定存在着统一的规律性，若按原子量排列，元素的性质必然呈现出周期性的变化。同年，他按此原则把当时已知的元素排列成表，全表有66个位置，留有4个空位，表示有待发现。表中钍、碲、金、铋是按它们的性质来决定其位置的，而原子量与位置存在着矛盾，他认为这是由于原子量测定上出现了差错。
周期律的发现表明元素性质的发展、变化过程是由量变到质变的过程，它具有科学的预见性。门捷列夫不仅利用这一规律正确地修订了一些元素的原子量，而且预言了大约15种元素的存在以及它们的性质。他预言的“类铝”(镓)、“类硼”(钪)和“类硅”(锗)都在其后的15年内陆续被发现，其性质与门氏预言的惊人一致。这有力地证明了周期律的科学性，使它赢得了整个科学界的公认和高度评价。它是化学发展史中的一个里程碑，是近代化学发展的最高峰。
英国化学家拉姆齐等人对多种惰性气体元素的发现，为周期表补充了一个零族，更深化了化学家们对周期律的认识。1913年英国物理学家莫塞莱通过对各种元素的特征X射线波长的系统研究，揭示了元素周期律的根源不是基于表观上的原子量，而是基于原子序数，即原子内部原子核所带的电荷数，也就是所含的质子数。