在化学的研究中，最基本的一个概念就是元素，自然界的元素有几百种，他们之间有什么联系，能不能将他们排序列表，使其组织化、系统化。为此，人们付出了艰苦的努力，发现了元素周期律。元素周期律的发现史充分展现了人们追求真理时不倦的探索精神和坚韧不拔的毅力。
19世纪上半叶，武拉斯顿制得了铑和钯；贝采里乌斯发现了铈、硒和钍；库特瓦制得了单质碘；斯特罗迈耶制得了金属镉；维勒用制得了纯净的金属铝；溴是用氯气氧化制得的。戴维用电解法和热还原法制得了钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼和硅，并证明了元素氯的存在。由于化学分析方法的丰富，人们还发现了钽、锇、铱、锂、钒、镧、铌、钌、铽、铒。在1860年到1863年的4年间人们发现了铯、铷、铊、铟4种元素，掀起了元素发现的又一个高潮。19世纪末，人们共发现了63种元素。
但是这些元素却是繁杂纷乱的，人们很难从中获得清晰的认识。整理这些资料，概括这些感性知识，从中摸索总结出规律，成为当时化学家面前一个亟待解决的课题。
早在19世纪20年代末，德国化学家德贝莱纳就提出了“三元素组”观点。他把当时已知的54种元素中的15种，分成5组，指出每组的三种元素性质相似，而且中间元素的相对原子质量等于较轻和较重的两个元素相对原子质量之和的一半。例如钙、锶、钡，性质相似，锶的相对原子质量大约是钙和钡的相对原子质量之和的一半。氯、溴、碘以及锂、钠、钾等元素也有类似的关系。然而这样的关系即使是当时的54种元素也不能普遍适用，所以没有引起化学家们的重视。
19世纪60年代初，法国矿物学家尚古多提出一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量的大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上，因此他第一个指出了元素性质的周期性变化。但是他没有区分主族和副族，一些性质迥异的元素，如硫和钛、钾和锰都跑到同一条母线上了。
19世纪60年代中期，英国工业化学家纽兰兹提出了“八音律”。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列成表。纽兰兹这个表的前两个纵列相应于现代周期表的第二、三周期，但从第三纵列以后就不能令人满意了，有六个位置同时安置了两种元素，还有些顺序考虑到元素的性质而大胆地颠倒了，把事物内在的本质规律掩盖起来了。
从“三元素组”到“八音律”，多位化学家都从不同的角度，逐步深入地探讨了各元素间的某些联系，使人们一步步逼近了科学的真理。接下来，作出最大贡献的是迈耶尔和门捷列夫。
1864年迈耶尔写成了著名的《近代化学理论》。它的一大贡献是发表了迈耶尔的第一张元素周期表。表中列出了28种元素，它们按相对原子质量递增的顺序排列，周期性地分成6个族，这6族元素相应的化合价是4，3，2，1，1，2.化合价明显地呈现出周期性的变化，同族元素也明显地呈现出相似性。迈耶尔还计算了同族元素的相对原子质量之间的差值，发现第二横排元素的相对原子质量与第三横排相应元素相对原子质量的差值几乎都是16，其他横排之间也有类似的规律。他还指出硅与锡之间有未发现的元素存在，它的原子量可能是73.1.
1868年后，在《近代化学理论》第二版中，迈耶尔发表了他的第二张元素周期表，新增加了24种元素和9个纵行，共计15个纵行，明显地把主族和副族元素分开了，这样就使过渡元素的特性区别于主族而独立地表现出来了，同时也避免了由于副族元素的加入而使同一主族元素的性质迥异。
19世纪70年代，迈耶尔又发表了他的第三张元素周期表，重新把硼和铟列在表中，并把铟的相对原子质量修订为113.4.预留了一些空位给有待发现的元素，但是表中没有氢元素。同时发表的还有著名的《原子体积周期性图解》，图中描绘了固体元素的原子体积随着相对原子质量递增而发生的周期性变化。一些易熔的元素（如Li、Na、K、Rb、Cs）都位于曲线的峰顶；而难熔的元素（如C、Al、Co、Pd、Ce）则位于曲线的谷底。迈耶尔吸取前人的研究成果，主要从化合价和物理性质方面入手独立地发现了元素周期律。
门捷列夫通过自己顽强的努力，于1869年编成了他的第一张元素周期表，发表论文《元素性质和原子量的关系》。在论文中，他指出：
（1）按照相对原子质量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性变化。
（2）化学性质相似的元素，或者是相对原子质量相近（如Pt， Ir， Os），或者是依次递增相同的数量（如K， Rb， Cs）。
（3）各族元素的原子价（化合价）一致。
（4）分布在自然界的元素都具有数值不大的相对原子质量值，具有这样的相对原子质量值的一切元素都表现出特有的性质，因此可以称它们是典型的元素。
（5）相对原子质量的大小决定元素的特征。
（6）应该预料到许多未知元素将被发现，例如排在铝和硅后面的、性质类似铝和硅的、相对原子质量位于65～75之间的两种元素。
（7）当我们知道了某些元素的同类元素的相对原子质量后，有时可借此修正该元素的相对原子质量。
（8）一些类似的元素能根据其相对原子质量的大小被发现出来。
第二年，门捷列夫发表了关于周期律的新论文，果断地修正了前一个元素周期表。例如在前一表中，性质类似的各族是横排，周期是竖排；而在新表中，族是竖排，周期是横排，这样各族元素化学性质的周期性变化就更为清晰。同时他像迈耶尔那样，将那些当时性质尚不够明确的元素集中在表格的右边，形成了各族元素的副族。在前表中为尚未发现的元素留下的4个空格，在新表中则变成了6个。
19世纪70年代中期，法国化学家布瓦博德朗发现镓，镓的发现雄辩地证明了门捷列夫元素周期律的科学性。接着，19世纪80年代初，瑞典的尼尔森发现了钪，19世纪80年代中期，德国的文克勒发现了锗。这两种新元素与门捷列夫周期表中预留的类硼、类硅完全吻合，门捷列夫的元素周期律经受了实践的检验。
化学元素周期律是自然界的一条客观规律。它揭示了物质世界的一个秘密，指出了杂乱的元素间存在着相互依存的关系，它们组成了一个完整的体系，有力地促进了现代化学和物理学的发展。从此，新元素的寻找，新物质、新材料的探索有了一条可遵循的规律。
人们研究元素周期律耗费了将近一个世纪的时间，最后由门捷列夫总结出来。这充分展现了人类在追求真理时不倦的探索精神和坚韧不拔的毅力。
