1859年，門捷列夫獲得了到德國海德堡大學本生實驗室進修的機會，為期兩年。德國當時是世界化學研究中心，實驗條件十分優越，海德堡大學有一些著名的科學家，這些對求知若渴的門捷列夫來說是極富吸引力的。他珍惜著這裏的分分秒秒。在進修的頭一年，他就取得了豐碩成果，連續發表了三篇科研論文：《論液體的毛細現象》、《論液體的膨脹》和《論同種液體的絕對沸點溫度》。第三篇論文解決了當時科學上的一大難題。當時科學家們普遍認為，隻要外加足夠的壓力，任何氣體都能被液化。然而對氧氣和氮氣則不然，采用超高壓也無法使它們液化。科學家們一時無法給出合理的解釋，就冠以“永久氣體”之名。門捷列夫在論文中明確指出：當氣體溫度高於臨界溫度時（臨界溫度概念由他提出），無論施加多大的壓力都不能使其液化。門捷列夫的觀點使人們幡然醒悟。實驗結果證明，在臨界溫度下，無論什麼氣體都能液化。
1851年，門捷列夫回國。同年，他編著出版了《有機化學》教科書，該書注重從本質上探討化學反應過程，特別注意介紹當時化學上的新成果，受到同行的好評和認可，並榮獲俄羅斯科學院的獎金。該書的出版，使門捷列夫聲名鵲起，好幾所大學同時聘請他講課。門捷列夫博學多才，講課富有激情，風趣生動，旁征博引，揮灑自如。學生們說：過去學習化學，覺得零亂無序，機械記憶，難以接受。聽了門捷列夫講課後，才開始認識到化學是一門豐富生動的科學。
早在彼得堡大學任教時，門捷列夫就為怎樣講解化學課煞費苦心。當時教科書中的化學知識是孤立的，看不到聯係，元素化合物知識更是雜亂無序，內容枯燥無味，教師教得辛苦，學生學得吃力。門捷列夫下決心整理出頭緒。他經常思考的一個問題就是如何把化學元素加以分類把握，以便找出元素之間的規律，使學生學習時有章可循。他是個有心人，處處留心。
在德國進修時的一次國際科學大會上，各國科學家的精彩報告給門捷列夫啟發很大，影響是深遠的。門捷列夫後來回憶說：“我的周期律的決定性時刻在1860年，我參加了卡爾斯魯厄代表大會，在會上我聆聽了意大利化學家康尼查羅的演講，正是他詳盡論述了原子量，給了我很大啟發。一種元素的性質隨原子量的遞增而呈現周期性變化的基本思想衝擊著我。”從此，他確立了自己的研究方向和目標，為此付出了畢生的努力，也鑄就了輝煌。
道爾頓提出科學的原子論之後，許多化學家都把主要精力集中在元素原子量與性質之間關係的研究上，期望能找出原子量與性質之間的聯係。1829年，德國化學家德貝萊納提出了“三元素組”觀點。他把當時已知的44種元素中的15種分成5組，指出每組三元素的性質相似，而且中間元素的原子量等於較輕元素和較重的兩元素原子量的算術平均值。如鈣、鍶、鋇；氯、溴、碘；鋰、鈉、鉀。這樣的分類有許多令人不滿意的地方，所以並沒有引起化學家們的重視。
1862年，法國化學家尚古多提出了一個“螺旋圖”的分類方法。他將已知的62種元素按原子量大小順序標記在繞著圓柱體上升的螺旋線上，這樣某些性質相近的元素恰好出現在同一母線上。他第一個指出了元素性質的周期性變化，可惜的是他的報告無人理睬。
1864年，德國化學家邁爾在他的《現代化學理論》一書中刊出了“六元素表”。他明確地指出：“在原子量數值上具有一種規律性，這是毫無疑義的。”可惜他製的表中隻列出了已知元素的一半。
1865年，英國化學家紐蘭茲提出了“八音律”之說。他把當時已知的元素按原子量遞增順序排列在表中，發現元素的性質有周期性的重複，第八個元素與第一個元素性質相近，就好像音樂中八音度的八個音符一樣，有相似的重複。紐蘭茲的工作同樣被否定，有的學者曾挖苦他說：你為什麼不按元素的字母順序排列呢？那樣也許會有意想不到的美妙效果。
“三元素組”、“六元素表”、“八音律”雖然都存在這樣或那樣的錯誤，但是應該看到，它們也都從不同的角度，逐步深入地探討了各元素間的某些聯係，揭示了局部的規律性，使人們一步步逼近了科學的真理。