从17世纪开始，化学家们就在思考这样的问题：发现了那么多元素，是否可以“分门别类”而找到某种规律，它们之间有没有什么联系呢？
18世纪中叶之后的一个世纪，就有不少人对元素进行分类，企图找出它们之间的联系。
1789年，法国化学家拉瓦锡（1743～1794）把他认为可信的33种“元素”——有的实际是化合物，分为“金属”、“土质”、“气体”、“非金属”4大类。
1829年，德国化学家德贝莱纳（1790～1849）敏锐地发现，当时已知的54个元素中有5个组出现一个“奇怪”的现象——每个组内3个元素中的前后两个元素原子量之和的一半，几乎等于中间那个元素的原子量。虽然当时发现的元素少，他也没对所有元素这一整体进行研究，但这种对元素归纳分类的方法却启发了后人。
1850年，德国药物学家培顿科弗（1818～1901）认为，性质相似的元素组不应仅限于3个元素。他还注意到当时盛行的相似元素组中，各元素原子量之差常为8或8的倍数。
1853年，英国化学家格拉斯顿（1827～1902）提出，性质相似的同组元素在原子量方面有3种不同类型。
1854年，美国化学家库克（1827～1894）把元素分为6个系列。
1857年，英国化学家欧德林（1829～1921）发表了一个把元素分为13类的《元素表》。
1859年，法国化学家杜马（1800～1884）发现，同系有机物之间的分子量有一个公差。
1862年，法国化学家尚古多（1820～1886）提出关于元素的性质就是数的变化的论点，并由此创造了一个《螺旋图》：62个元素按原子量的大小顺序标在绕着圆柱体螺旋形上升的螺线上，可清楚地看到一些性质相近的元素都出现在圆柱的同一条母线上。由此，他提出了元素性质有周期性重复出现的规律。
1864年，欧德林修改了他1857年的元素分类表《元素表》，以《原子量和元素号》为标题重新发表。他的新表基本上按原子量顺序排列，有47个元素。
同年，德国化学家迈尔（1830～1895）在他的《现代化学理论》一书中，顺着原子量的顺序详细讨论了各元素的物理性质，给出了《六元素表》。该表各元素按原子量排序，对元素作了很好的分族，有了周期表的雏形。
1865年，英国人纽兰兹（1837～1898）把元素按原子量大小顺序进行排列时发现，从任一元素算起，每到第8个元素就和第1个元素性质相近。
……
总之，在1869年之前，这类探索有几十起之多。
1869年2月17日，俄国化学家门捷列夫（1834～1907）发表了描述元素周期律的图表——第一个元素周期表。
在门氏的周期表中，各元素依原子量大小的顺序竖向排成6列，每一列的各元素具有相近的性质。共排出当时已知的63种元素，并留有4种未知元素的空格。在这些空格中，填入了他预测的相应未知元素的原子量。
这样，门捷列夫就创造性地把看似孤立的、“杂乱无章”的元素有机地联系起来了。这个规律的基调是“量变到质变”——元素的性质随它的质量而改变。这是门捷列夫的第一个创新。
门捷列夫除了不顾公认的原子量而改排了某些元素排列的位置以外，还修订了一些元素的原子量，从而使相应元素能排在合理的位置上。这种似乎“削足适履”的做法，恰好体现出门捷列夫的第二个创新——元素周期律的确来自于实践，但是要经过科学的抽象才能形成。
门捷列夫还先后预言了15种以上的元素——第三个创新。这些修订和预言经过其后的科学实践证明基本正确。例如，他预言的“类硼”即钪和“类硅”即锗，就分别在他生前的1879和1886年被瑞典化学家尼尔森（1840～1899）和德国的温克勒（1838～1904）发现。以致温克勒在发现“类硅”之后说：“再也没有比发现‘类硅’能更好地证明元素周期律的正确性了，它不仅证明了这个有胆略的理论，还扩大了人们在化学方面的眼界，而且在认识领域也迈进了一步。”总之，它是寻找新元素的理论向导。
的确，“化学没有周期表如同航行没有罗盘一样不可想象，”但是，“这并没有制止某些化学家正试图改进它”。
是的，科学之水长流、科学之树常青。元素周期律和周期表之水，还会向新的方向奔流……
1894年，英国科学家拉姆齐（1852～1916）和瑞利（1842～1919）发现了惰性气体氩，氩和其后几年发现的其他惰性元素，充实了原有元素周期表的内容。1900年3月，比利时化学家埃利拉明智地把它们安排在零族的位置上——门氏周期表上没有这个族。这是元素周期律的第一次大发展。
19世纪和20世纪之交，大量放射性元素被发现，门捷列夫无法为它们安排位置，因为他错误地坚持元素的不变性。这一问题在他死后才得到解决。
此外，门捷列夫认为三对位置颠倒的元素——氩和钾、碲和碘、钴和镍，之所以出现原子量大的反而排在前的现象，是因为它们的真实原子量被化学家们测错了。例如，他认为，碘和碲的原子量分别为126.91和127.61，但碘却被排在后面，因此其中必有一个元素的原子量被误测。但是，实际上它们的原子量值都是正确的。门捷列夫所以弄错的原因在于，他把原子量作为排布周期表的绝对正确的规律。
发现这个正确规律的荣耀，属于27岁多就死于第一次世界大战的英国物理学家莫斯莱（1887～1915）。1913年，他在用实验研究了元素的X光光谱之后得知，元素呈现周期性变化的根本原因是，元素原子核所带的电荷数——“原子序数”的多少，而不是它的表面现象——原子量。这样，就彻底解决了那三对元素的原子量颠倒的问题，完成了元素周期律的第二次大发展。
不过，原子序数这一概念，则是荷兰物理学家布洛尼克（1870～1926）早于莫斯莱引入的。他还在1907年设计了一个以α粒子为基础的元素周期表。这个周期表含8个族、15个周期，为120个元素留有位置。他是最早从理论上提出“元素是按核电荷数增长顺序排列的”人。
1916年，德国化学家柯塞尔（1888～1956）首先以原子序数代替原子量，制成新的元素周期表。
但是，布洛尼克、莫斯莱仍然没能解决元素性质发生周期性变化的根本原因。在英国物理学家卢瑟福，特别是丹麦物理学家玻尔等人建立了原子的核式模型之后，在量子力学诞生之后，这一问题才得到根本解决：原子核外电子排布的周期性和运动规律，决定了元素性质的周期性。例如，在1922年，玻尔就用他创立的原子结构模型——一个经典理论和量子条件并放在一起的混合体，解释了元素周期表的结构法则。这是元素周期律的第三次大发展。
1869年门捷列夫发表元素周期律的时候，人们只知道钇、镧、钕、镨、铒、铽这6种（后来才知道，后4种实际是一些元素的混合物）稀土元素，门捷列夫无法将它们安排在适当的位置。而这6种元素“没有座位”的处境，已经与每个元素都应该在周期表中有相应位置的原则相矛盾。更使人难办的是，1880年发现了大量性质相近的稀土元素，这再次使人们不知所措。在这种情况下，有些化学家开始怀疑门捷列夫元素周期律是不是概括了所有元素的自然体系。更麻烦的是，究竟有多少种稀土元素，人们还不知道。
不过，这些问题在莫斯莱和玻尔之后都得到圆满的解决。
那么，那三对元素的原子量为什么会被颠倒呢？这个问题在1932年英国物理学家查德威克（1891～1974）发现中子以后，才得到解决。原来，人们所说的“原子量”，只不过是这种元素各种质子数相同、但中子数不同的“同位素”的“平均原子量”。这一发现还对周期表中“元素的位置”赋予了新的意义——一类质子数相同、中子数不同的元素应占有的同一个位置。
同位素的发现，还使人想起了一件趣事。
1814年，英国的青年医生普劳特（1786～1850）认为，各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的，所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍——氢原子是最基本和最简单的物质。
赞成和反对普劳特假说的两派争论了一个世纪。那时候，人们都相信英国科学家道尔顿（1766～1844）提出的观点：同种元素的原子，质量完全一样。
但是，当瑞典化学家柏采利乌斯（1779～1848）仔细测定了各种元素的原子量后，发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍。例如，氯的原子量是35.5，就不是整数。反对派们以实验为根据，宣布普劳特的假说是胡说。
当1919年卢瑟福打开了原子核，发现里面有质子，质子就是氢原子核的时候，普劳特的假说得到了证实，而道尔顿的观点却错了。
从20世纪30年代以来，1～92号（即从氢到铀）元素中最后4个不稳定元素的发现，以及超铀元素的合成和超重元素稳定岛假说的提出，完成了元素周期表的第四次大发展。
元素周期表的形式，也有长式、短式之分，电子排布式环形元素周期表也被制作出来。
科学家们已经开始建立不只是元素的，而且是化合物或分子的周期表。当然，在1862年英国化学家纽兰兹（1837～1898）也有过这种思想——他提出了有机分子的周期表。
据报道，诸如在独居石、陨石等特殊物质中已经发现了第116、126、128号等元素，它们将继续填充着也许是没有尽头的元素周期表。
此外，在2005年，美国宾夕法尼亚大学的物理学家威尔福德·卡斯德曼和弗吉尼亚州立联邦大学的物理学家石弗·卡纳，用“激光蒸汽法”制造出一种有13个铝原子（和1个额外电子）的原子团簇。这是一种“超原子”的化学构建基石——它表现得像一个原子一样。根据这个发现，人们有可能再次修改元素周期表。
卡斯德曼等人的新发现，还有可能制造出一些新材料，用来增大火箭燃料的功率。而他们准备制造的类似团簇（14个铝原子），则可能是更轻和更加有效的传导材料，从而建造出更好的电子和光学装置。
门氏元素周期律和周期表，走过了100多年的水千条山万座，终于在无数先贤艰苦的创新之后变得“面目全非”——得到了破茧出蝶的美丽。