Rok 1869 bol pre D. I. Mendelejeva aj pre chémiu veľmi významný. Dňa 6. marca predniesol za chorého Mendelejeva jeho asistent Menšutkin referát na tému: „Pokus o vytvorenie sústavy prvkov založenej na ich atómovej hmotnosti a chemickej podobnosti“. Týmto referátom Mendelejev zverejnil svoj veľký objav periodického zákona. Podľa jeho predpovedí už v roku 1875 bol objavený prvok gálium. Bolo to prvé uznanie Mendelejevovej geniality. Medzi jeho najvýznamnejšie diela patrí učebnica „Základy chémie“.

Dmitrij Ivanovič Mendelejev - zistil, že pri zoradení prvkov podľa vzrastajúcej atómovej hmotnosti sa vlastnosti prvkov pravidelne (periodicky) opakujú. Pričom musel v niektorých prípadoch urobiť výnimku a zaradiť ťažší prvok pred ľahší. V roku 1869 vyslovil periodický zákon, formulovaním ktorého sa vyjadrila prirodzená súvislosť medzi prvkami a tá skutočnosť, že počet prvkov a ich vlastnosti nie sú náhodné, ale zákonité. Upresnil sa tým pojem chemický prvok, čo súviselo s vývinom teórie štruktúry atómu. Ukázalo sa, že atómy, ktoré tvoria chemické prvky, nie sú ďalej nedeliteľné, ba dokonca, že atómy toho istého prvku nemusia mať všetky vlastnosti totožné. Táto periodicita vlastností prvkov je priamo podmienená práve periodicitou vo výstavbe vonkajších elektrónových vrstiev ich atómov pri narastaní počtu elektrónov. Moderná teória štruktúry atómu odkryla veľký fyzikálny význam periodického zákona a ukázala, že tento zákon je priamym dôsledkom zákonitostí v štruktúre atómov jednotlivých prvkov. Ďalšie významné obdobie periodického zákona súviselo so zistením, že periodické vlastnosti prvkov závisia nie priamo od relatívnej atómovej hmotnosti, ale od atómového (dnes protónového) čísla, ktoré jednoznačne určuje umiestnenie každého prvku v periodickej sústave a možno ho presne zistiť z charakteristického röntgenového spektra prvkov.

V tabuľke vynechal miesta pre prvky, o ktorých predpovedal, že budú objavené neskôr. O rok neskôr predložil presnejšiu tabuľku, doplnenú o ďalšie prvky. Túto prácu nazval „Prirodzená sústava prvkov a ich použitia pre udanie vlastností prvkov dosiaľ neobjavených“. Mendelejevov periodický systém bol spočiatku prijatý so značných skepticizmom a nebol dlhú dobu uznávaný. Až s objavením prvkov galia (1875), skandia (1879) a germania (1886), ktoré Mendelejev predpovedal už v roku 1871, bol periodický zákon všeobecne prijatý. Dnes má tabuľka 115 prvkov (prvok so 118 protónmi bol objavený, ale prvky 113, 115, 117 neboli ešte izolované), pričom v názvoch posledných novoobjavených prvkov sa viedla dlhá diskusia. V roku 1997 šesť nových chemických prvkov v rokoch 1964-1984 dostalo svoj názov. Sú to tie prvky, ktoré majú vyššie protónové číslo ako urán, s poradovými číslami 104-109 (tzv. transurany). Mená im udelila Medzinárodná únia pre čistú a aplikovanú chémiu (IUPAC).