1867年，俄罗斯化学家门捷列夫在分析了大量实验材料的基础上，坚信“寻找元素的性质及其相似性和它们原子量之间的关系，乃是最简捷和自然的方法”。当他按原子量大小的顺序排列元素时，避免前人机械排列的错误，而根据元素的性质随原子量变化的系统规律辩证地加以调整。得到了一张比较完善的元素周期表。他在1869年2月提出了“元素属性和原子量关系”的论文，阐述了“按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”这一规律，命名为元素周期律。根据周期律(和周期表)的指导，预言和发现了镓等11种元素。人们还预言了稀有气体的存在，并于1898年以后，陆续发现了氖、氪、氙等元素，因而在周期表中增加了新的一族。到1944年就全部发现了自然界的所有92种元素。
元素周期律是化学元素第1个科学的分类法。它深刻地揭示了元素之间的内在联系，表明元素并不是孤立的，而是存在于严整的自然序列之中，有系统的分类和完整的体系。周期律使庞杂的元素知识联系综合起来，提高到一个新的理论高度，从而有力地推动了化学的发展。根据周期律，人们不仅有可能在一定程度上预测未知的元素和化合物的性质，而且发现了原子的组成和结构，指导了原子结构的研究。它对物质结构的研究、原子能的利用、有机化学、冶金学、地球化学以及社会科学都有深远的影响。元素周期律的发现还有深刻的哲学意义。原子量的量的变化而引起元素性质质变的事实，充分证明了关于量变引起质变规律的普遍性。因此，恩格斯评价说：“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业。”
随着对原子结构的进一步了解，人们对元素周期律也有了更进一步的认识，化学元素原子的电子排布和由此排布而确定的元素性质(成键性，反应性等)与原子序数(原子核电荷数)密切有关。电子排布随原子序数从一种元素到下一种元素的递增而有规律地重复性地(周期性的)发生变化。元素的周期性实质是元素原子内部结构周期性变化的反映，原子结构的周期性是元素性质周期性的内在原因。
根据元素周期律，将元素按原子序数排列而成的表，即是元素周期表，简称周期表。它是元素周期系统的表达形式，最早是由门捷列夫提出，后来发展有多种形式。现代广泛应用的，是瑞士化学家维尔纳提出的长式周期表。长式周期表中，有7个横排为7个周期，分别包括元素种数为2，8，8，18，18，32，23等(93～109号元素是人工合成的放射性超铀元素)。第1周期为特短周期，第2、3周期为短周期，第4、5周期为长周期，第6周期为特长周期，第7周期为未完成周期。每个周期以最外层有1个电子的元素开始，以最外层有8个电子(氦除外)的元素结尾。周期表中的纵行为族，其中Ⅰ—Ⅶ族有主族(用A表示)和副族(用B表示)之分，另有0族(稀有气体)和第Ⅷ族(包括3个列)，一共16个族。属于内过渡元素的镧系和锕系元素，在周期表的下面另分两个横排。按元素原子结构特征，周期表又可分为s区、p区、d区、ds区和f区。现代使用的长式周期表中，也有的将0族改称为ⅧA族，将Ⅷ族改称为ⅧB族。1966年前后，理论工作者提出了超重元素稳定岛可能存在的预言，向人们展示了扩展周期表的广阔前景。直到现在，一些学者认为：周期表第8周期可能由119～168号元素组成，其中121～153号元素属于超锕系元素。另一些学者认为：周期表第8周期可能由119～164号元素组成，其中121～155号元素属于超锕系元素。第9周期可能由165～172号元素组成。当然，理论预测还必须接受科学实验的检验，才能确定其正确的程度。
