這期間，門捷列夫也在傾注精力探索原子量與元素性質之間的內在聯係，並緊緊抓住原子量作為各種元素的基本特性去探討元素性質的演變規律。他對所掌握的大量資料進行比較、核對和驗證，做了一番去粗取精、去偽存真的整理工作，對有疑問的原子量，他根據其化學性質並利用原子價、當量、原子量之間的關係作了大膽修訂。他對各種元素分類方案，諸如根據元素對氧和氫的關係所作的分類、按金屬與非金屬的分類、根據化學活性的順序分類、根據原子價的分類、根據元素的綜合化學性質的分類都一一作了認真的研究。在深入研究原子量與原子價時，門捷列夫對各種元素的原子量可以相差很大而原子價的變動範圍較小這一情況有很深的印象，而且有許多元素具有相同的原子價，也恰恰是這些元素的化學性質彼此非常相似。他注意到一價元素都是最典型的金屬，七價元素都是典型的非金屬，四價元素的性質恰好介於金屬與非金屬之間。這就使他堅信各種元素之間一定存在著統一的規律性。他將元素按原子量的大小順序排列起來，看到氯和鉀的原子量相差不多，但性質截然不同；而鉀與鈉原子量相差頗大，但性質酷似。在鉀以後的元素隨原子量的增加其性質又顯示出從鈉到氯的相似演變。這些現象使他堅信各種元素的性質間存在著周期性變化規律。
1869年2月，門捷列夫發表了第一份關於元素周期律的圖表，不久又作了進一步的修正，把自己的思想寫在《元素屬性和原子量的關係》的論文中，闡述了元素周期律的基本論點：
（1）按照原子量大小排列起來的元素，在性質上呈現明顯的周期性。
（2）原子量的數值決定元素的特征。
（3）應該預料到還有許多未發現的元素，例如會有分別類似鋁和矽，原子量介於65～75之間的兩個元素。現在可以由已知元素的某些性質，去預測它們的同類元素，從而發現它們。
（4）當我們掌握了某些同類元素原子量之後，可借此修正該元素的原子量。
門捷列夫在這張表中初步實現了使元素係統化的任務，把已發現的63種元素全列進表中。全表有67個位置，尚有四個空位隻有原子量而沒有元素名稱，門捷列夫預示必有與其相對應的尚未發現的元素存在。根據他的周期律，他還先後修正了十多種元素的原子量，實踐證明都是正確的。
為什麼其他人隻發現了元素的周期性而門捷列夫卻發現了比周期性具有更大理論價值的周期律呢？主要是門捷列夫在三個方麵幹得比他人更出色。
首先，他不是機械地利用已知的原子量，而是小心地把可疑的原子量找出來，一一加以校正。別的研究者在這方麵比較大意，完全沿用已有原子量數據，導致按原子量排列的元素順序出現不少差錯。第二，門捷列夫覺得別人研究元素分類時，隻重視原子量卻忽視了對元素的各種性質的綜合研究。這使他們所排的元素經常錯位。門捷列夫排列元素位置時非常重視對多方麵性質的綜合考慮。為此他曾把當時已知元素的相關信息製成63張卡片，反複琢磨，在玩著特殊的牌，以至於有些人誤認為他不務正業。第三，門捷列夫周期律不但能演繹出當時已知元素的性質，而且還能預言未知元素的性質。當他在根據原子量遞增呈現周期性變化遭到破壞和中斷時，這位卓越的科學家堅信自然界不可能有這樣的斷層。於是他大膽地預言自然界中必有尚未被發現的元素存在。他根據大自然應有的和諧規律，準確預言了這些尚未被發現的元素屬性。他在一篇文章中寫道：“緊接著鋅後麵，應該是具有原子量接近68的一種元素。因為這種元素在第Ⅲ族，緊接在鋁下麵，所以我把它叫類鋁。它處在鋁和钅因之間的位置上，因此具有接近這兩種元素的性質，它在金屬狀態時比重接近6。這種金屬性質在各方麵應該是從鋁的性質向钅因的性質過渡。完全可以設想，這種金屬將比鋁具有更大的揮發性，因此可望在光譜的研究中發現。”四年後，法國化學家布瓦德朗在用光譜分析鋅礦時發現了一種新元素，正是類鋁，即镓。門捷列夫獲悉布瓦德朗發現镓的報告後，立即寄去了一封信。說镓正是類鋁，不過镓的比重不是4.7，應在5.96～6.0之間。看完信，布瓦德朗十分震怒，镓是他首先發現的，遠在千裏之外的異國他鄉的門捷列夫卻武斷地指責镓的比重測量不準確！嚴謹的科學作風促使他又重新提純了镓，結果是5.94，這使他驚訝不已。門捷列夫所預言的類矽在1886年由德國化學家文克勒所發現。他把這種元素命名為鍺。當文克勒看到自己發現的鍺與門捷列夫預言的類矽性質十分吻合時，驚歎不已（比較見下表）。他說，再也沒有比“類矽”的發現能這樣雄辯地證明元素周期律的正確性了。它不僅證明了這個有膽識的理論，還擴大了人們在化學方麵的眼界，而且在認識領域裏也邁進了一步。
元素類矽（1871年）鍺（1886年）