19世纪30～50年代，化学分析技术已很进步，化学家们能够知道在岩石、土壤里含有哪几种元素，各有多少。他们又制造出了复杂的天平，能够进行精密的测定。可是在一段较长的时间里，化学家只发现了钒、镧、铽、铒、钌5种元素。连前面发现的一共是58种元素。
还是物理学给化学帮了忙。像先前伏特发明的电池那样，电帮助戴维接连发现了几种新元素。这一次，化学家发现的铯、铷、铊、铟、氦等，都是得到了光的帮助。
1869年，俄国化学家门捷列夫在总结前人经验的基础上，发现了元素之间的内在联系——化学元素周期率。
门捷列夫分析了元素的颜色、比重、硬度、沸点、导电性、磁性、导热性等各种性质后，终于找到了一种元素相互之间的联系：各自的原子量。
门捷列夫把各种化学元素按照原子量，从小到大排成一长列。他发现，任何一种元素，每隔大约7个，就会出现一个性质十分相似的元素。例如，锂和钠、钾相似，都是一价的碱金属；铍和镁、钙相似，都是二价的碱土金属；硼和铝相似，都是三价的，它们的金属性和非金属性都不很强烈；碳和硅相似，都是四价的，都有较弱的非金属性……
在排列周期表的时候，也出现了不少难题。首先，当时已发现的元素只有63种，那些还没被发现的元素放在什么位置上？其次，当时测定的原子量有一些是错误的，如何对待？
门捷列夫大胆而又巧妙地解决了这些难题：在周期表里留出一些空格，每个空格就代表一个未发现的元素，并且推算出了这个未发现元素的原子量，预言它的性质。当发现某个元素的原子量同它在周期表里的座位不相符合的时候，就根据这个元素的其他性质来确定位置。
门捷列夫由此得出了一个重要的自然规律：元素的性质周期地随着它们的原子量而改变。
元素周期表的诞生，开创了化学科学发展的新纪元。它不仅反映了化学元素的自然分类和它的最根本的规律，同时为人类认识自然界提供了一个重要工具。人们不仅可以总结已有的化学知识，而且可以预见未来。
门捷列夫使用元素表曾预言的11种未发现的元素，后来一个个都先后被发现了。化学家测得这些元素的性质，同门捷列夫的预言惊人地相似。
1875年发现了镓（就是门捷列夫预言的亚铝）；1879年发现了钪（就是预言的亚硼）；1886年发现了锗（预言的亚硅）；1898年发现了镭和钋（预言的亚钡和亚碲）；1899年发现了锕（预言的亚镧）；1917年发现了镤（预言的亚钽）；1925年发现了铼（预言的三锰）；1937年发现了锝（预言的亚锰）；1939年发现了钫（预言的亚铯）；1940年发现了砹（预言的亚碘）。
门捷列夫利用元素周期表还纠正了某些测量不准确的原子量。他一共修正了近10个元素的原子量，还建议重新精确测定另外几个元素的原子量。例如，在元素周期表的铝下边，曾留有一个空格，门捷列夫预言了这个元素的名称（亚铝）和性质。4年后，德布瓦绍德朗发现了一个新元素，定名为镓。预言的亚铝同镓的性质大多相似，只是比重一项差值比较大。预言是5.9~6.0，测定是4.7。门捷列夫写信给德布瓦绍德朗说，镓的比重是错误的，建议重新测定。当时世界上只有德布瓦绍德朗有一小块镓，他收到信后不相信这样的事，回信说不会错。门捷列夫再次去信，坚持自己的意见。德布瓦绍德朗重新提纯了镓，测出比重为5.95，正好在预言的比重之间。
探索新材料的工作需要用到周期表。锗和硅在周期表里的位置邻近，都是半导体材料，可以启发人们在邻近的元素中去寻找新的半导体材料。氯、硫、磷也是邻居，它们都是制造农药的元素。第八族元素铁、钴、镍、铂等都是催化剂材料。
人们还根据化学元素周期律，发现了一系列的惰性气体。从元素周期表发表起到19世纪末，又先后发现了镓、钬、镱、钪、钐、铥、钆、钕、镨、镝、锗、氟、氩、铕、镭、钋、氪、氖、氙、锕、氡等21种元素，连前面发现的一共是84种元素。
化学元素周期律既推动了现代有机化学、催化化学、放射化学的发展，也帮助解决了现代原子物理学上的难题：原子核里正电荷数的测定、核外电子的分布。
但是人们对周期表里的一切，并不都是了解得很清楚了。例如，周期表里的氩和钾、碲和碘、钴和镍、钍和镤，从同一周期里元素性质的递变和同一族里元素性质相似上看，是合适的。可为什么它们原子量大小排列的次序却都颠倒了？
再比如说，在当时周期表的各个周期里，第二、三、四、五、六周期中，至少都有8个元素，可在第一周期里，为什么却只有氢和氦两个元素，一边一个孤零零地呆在那儿？
元素的性质为什么会随原子量递增的顺序而出现周期性的变化呢？等等。
这些问题在当时都是一些不解之谜。