為了徹底解決這個問題，他開始走出實驗室，到外邊去考察和整理收集資料。他於1859年到德國海德爾堡進行科學深造。兩年間，他集中精力研究了物理化學，這使他探索元素間內在聯係的基礎更加紮實了。1862年，通過對巴庫油田進行考察，他對液體進行了深入研究，重測了一些元素的原子量，這使他對元素的特性有了更為深刻的了解。1867年，他借應邀參加在法國舉行的世界工業展覽俄羅斯陳列館工作的機會，參觀並考察了德國、法國、比利時的很多化工廠、實驗室，這使他大開眼界，豐富了知識。這些實踐活動，不但讓他更深入地認識了自然，而且為他以後發現元素周期律奠定了堅實的基礎。
然後，門捷列夫重返實驗室，繼續他的研究。他把重新測定過原子量的元素，依照原子量的大小按順序排列起來。結果他發現，具有相似性質的元素的原子量並不相近；而許多性質不同的元素，它們的原子量反而十分相近。他緊緊抓住元素的原子量與性質之間的這些關係，不停地研究著。由於過度緊張，他的腦子經常昏眩。最終，他的心血沒有白費，他在1869年2月19日終於發現了元素周期律。他的周期律說明：物質的性質，以及元素化合物的形式和性質，都與元素原子量的大小有周期性的依賴關係。在排列元素周期表的過程中，門捷列夫又大膽地指出，當時一些公認的原子量並不準確。如金的原子量當時公認為169.2，那按照這個元素表，它應該排在鋨、銥、鉑的前麵，因為它們被公認的原子量分別是198.6、197.6、196.7，而門捷列夫堅定地認為金應排列在這三種元素之後，它們的原子量都應該重新測定。重測的結果是，鋨為190.9、銥為193.1、鉑為195.2，而金是197.2。這證實了門捷列夫的說法，也間接地證明了元素周期律的正確性。
現在，在門捷列夫的元素周期表中還留有很多空格，這些空格應該由尚未發現的新元素來填滿。門捷列夫已經從理論上計算出了它們的最重要的性質，並斷定它們介於鄰近元素的性質之間。例如，在鋅與砷之間的兩個空格中，他預言這兩個未知元素的性質分別為類鋁和類矽。四年後，法國化學家布阿勃朗用光譜分析法從鋅礦中發現了镓。實驗證明，镓的性質非常像鋁，也就是門捷列夫所說的類鋁。镓的發現，具有跨時代的意義，它充分證明了元素周期律是一條正確的客觀規律，這為以後元素的研究，新元素的探索，新物質、新材料的尋找，提供了一個可遵循的規律。元素周期律像重炮一樣，在世界上空轟響了。
發現了元素周期律的門捷列夫，獲得了全世界的讚譽，人們給了他很高的評價。恩格斯在《自然辯證法》一書中指出，“門捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律，完成了科學上的一個勳業，這個勳業可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道的勳業居於同等地位。”
因為時代的局限性，門捷列夫的元素周期律並不是完美無暇的。1894年，惰性氣體的發現，是對周期律的一次考驗和補充。1913年，英國物理學家莫塞萊在研究各種元素的倫琴射線波長與原子序數的關係後，證實了原子序數在數量上等於原子核所帶的陽電荷，從而使人們明確了周期律的基礎是原子序數而不是門捷列夫所說的原子量。在周期律指導下產生的原子結構學說，不但給予元素周期律以新的說明，而且進一步弄清了周期律的本質，進而把周期律這一自然法則放在了更為科學也更為嚴格的基礎上。經過後人的不斷完善和發展，元素周期律在人們認識自然、改造自然、征服自然的活動中，越來越發揮著巨大的作用。
除了發現周期律這個不朽的功績外，門捷列夫還研究過氣象學、氣體定律、農業化學、石油工業、無煙火藥、度量衡等。因為他總是夜以繼日地努力工作著，所以在他研究過的這些領域中，都獲得了不同程度的成績。
這位享譽世界的傑出科學家，在1907年2月2日因心肌梗塞而與世長辭了。他留給全世界的寶貴財富，被人們永遠的記錄在了史冊上。
阿倫尼烏斯
阿倫尼烏斯是瑞典著名的物理化學家，他於1859年2月19日生於烏普薩拉，1927年10月2日卒於斯德哥爾摩。17歲進入烏普薩拉大學，主修化學。1878年畢業後留校。後又去斯德哥爾摩瑞典皇家科學院學習測量溶液電導，準備博士論文。1884年回到烏普薩拉大學申請論文答辯，答辯後論文被評為4等(有保留地通過)，他無資格擔任烏普薩拉大學講師。當時，隻有著名的化學家奧斯特瓦爾德支持他的觀點，並親自到烏普薩拉會見他。他因此才得以擔任講師。1885年他在奧斯特瓦爾德實驗室工作約一年，1886-1887年在維爾茨堡繼續研究溶液電導實驗。1891年擔任瑞典皇家工業學院講師，4年後任教授，1895年任院長。1905年任斯德哥爾摩諾貝爾物理化學研究所所長。1901年當選為瑞典皇家科學院院士。1911年當選為英國皇家學會外國會員。