在化学教科书中，都附有一张“元素周期表”。这张表揭示了物质世界中元素周期变化的规律，把一些看似不相关的元素系统起来，形成了一个完整的自然体系。它的发明，是近代化学史上的一个创举，对于促进化学的发展，起了巨大的作用。看到这张表，人们便会想到它的最早发明者——门捷列夫。
门捷列夫在化学上最大贡献是发现化学元素周期律。他在前人的研究基础上，于1869年编制第一张化学元素周期表，它包括当时已发现的63种元素。这张表按原子量的大小排列，揭示了元素性质随原子量增大而呈现周期性变化。1896年3月18日，他委托门许特金在俄国化学会上宣读《元素的属性与原子量的关系》论文，指出：（1）按元素原子量大小排列起来，元素明显出现周期性；（2）原子量值决定元素的特征；（3）可预测某些未发现的元素，或修改某些已测的元素原子量的错误。
此外，除了确立周期律之外，从1872年开始他还进行了多年的关于气体弹性的实验研究；1860年进行的关于水溶液比重的研究以及化工技术，尤其是石油工业方面的调查研究等。
门捷列夫于1834年出生于俄国西伯利亚的托波尔斯克市。他父亲是位中学校长。在他出生后不久，父亲双眼因患白内障而失明，一家的生活全仗着他母亲经营一个小玻璃厂而维持着。1847年父亲患肺结核死去。母亲决心要让门捷列夫像他父亲那样接受高等教育。
门捷列夫从小就显示出超群的记忆力和数学才能，7岁那年进入8年制国民学校，但在校成绩不太好。读小学时，便对数学、物理、历史课程感兴趣，但对语文以及外语不感兴趣。他热爱大自然，曾同他的中学老师一起长途旅行，采集了很多岩石、花卉和昆虫的标本。他善于在实践中学习，中学的学习成绩有了明显的提高。
中学毕业后，他母亲变卖了工厂，亲自送门捷列夫到莫斯科。但是莫斯科、彼得堡的一些大学拒绝接纳他。后来，通过父亲的同学的帮忙，他才能够进入父亲的母校——彼得堡高等师范学校物理数学系。
不久，门捷列夫的母亲便带着对他的祝福和期望与世长辞了。失去双亲又无财产的门捷列夫把学校当作了自己的家，为了不辜负母亲的期望，他发奋学习。1855年以优异的成绩从学校毕业。毕业后，他曾先后到过辛菲罗波尔、敖德萨担任中学教师。1875年他又以突出的成绩通过化学学位的答辩。他刻苦学习的态度、钻研的毅力以及渊博的知识得到老师们的赞赏，彼得堡大学破格地任命他为化学讲师，当时他仅22岁。
在彼得堡大学，门捷列夫所任教的两门课程是理论化学和有机化学。当时的教科书几乎都是大量元素和物质的零散资料胡乱堆积起来的。为了讲好这两门课，门捷列夫下决心自己考察和整理这些资料。
1859年他被批准到德国海德堡本生实验室去深造。两年中他集中精力研究了物理化学。他运用物理学的方法来观察化学过程，又根据物质的某些物理性质来研究它的化学结构，这就为他探索元素间内在联系打下了坚实的基础。
因为巧合，他参加了在德国卡尔斯鲁厄举行的第一届国际化学家会议。会上各国化学家的发言给了门捷列夫以启迪，特别是康尼查罗的发言和小册子。门捷列夫曾这样说：“我的周期律的决定性时刻在1860年，我参加卡尔斯鲁厄代表大会。在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以参考材料，……而正是当时，一种元素的性质随原子量递增而呈现周期性变化的基本思想冲击了我。”正是出席了这次会议，门捷列夫才有了明确的研究方向和奋斗目标，才正式走进了巍峨的科学殿堂。
从1862年起他对当时已经发现的63种元素逐个进行分析测定，这使他对许多物质和元素的性质有了更直观的认识。他自己重新测定一些元素的原子量。并在这一过程中加深了对元素的原子量的了解。他对前人关于元素间规律性的探索工作进行了细致的分析。他先后研究了根据元素对氧和氢的关系所作的分类；研究了根据元素电化序所作的分类；研究了根据原子价所进行的分类，特别研究了根据元素的综合性质所进行的元素分类。通过比较和综合分析，门捷列夫很快掌握了前人的研究成果并且能找到这些成果的缺陷和不足。
在分析元素的综合性质并进行的元素分类时，他相信元素原子量是元素最基本特征，发现不同的元素具有不同的性质。
同时发现性质相似的元素，它们的原子量并不相近。相反一些性质不同的元素，它们的原子量反而相差较小。他抓住原子量与元素性质之间的这一关系，反复测试，不断思索。他把这些已经发现的元素按原子量的大小排列起来，并把它们写在一些颜色不同的小卡片上。在每张卡片上写上一种元素的名称、原子量、化合物的化学式和主要的性质。门捷列夫把这些卡片钉在办公室的墙上，然后他不断反复思考排列这些卡片，找出原子量相近的元素，再把它们归到一排钉到墙上……就这样过了一段时间，一条规律出现在门捷列夫的面前。
这63种元素共排成了7组，用锂（原子量为7）开头，接着是铍（9）、硼（11）、碳（12）、氮（14）、氧（16）和氟（19）；下一组开头是钠（23），这个元素的物理和化学性质都非常接近于锂，所以他把钠排在锂下面。接着他又依序排下了5个元素，在这一组最后排下的是氯，在氟的下面，而氯的性质又正好与氟很相似。按照类似的方法，他把其他元素一一排列下去时，他注意到有一种奇妙的秩序出现了：每个元素在这张表上似乎都有它们自己“恰当”的位置。例如：非常活泼金属锂、钠、钾、铷、铯都归到了一个组里；而极其活泼的非金属氟、氯、溴、碘又都出现在第七组里。元素的性质“是它们原子量的周期性函数”，每一行元素的性质都在按原子量的增大，从小到大地逐渐变化，元素的化学性质呈周期性变化，每7个元素重复一次。也就是元素的性质随原子量的增加而呈周期性的变化。第一张元素周期表就由此诞生了。
元素周期律揭示了一个非常重要而有趣的规律：元素的性质，随着原子量的增加呈周期性的变化，但又不是简单的重复。门捷列夫根据这个道理，不但纠正了一些有错误的原子量，还先后预言了15种以上的未知元素的存在。结果，有三个元素在门捷列夫还在世的时候就被发现了。1875年，法国化学家布瓦博德兰，发现了第一个待填补的元素，命名为镓。这个元素的一切性质都和门捷列夫预言的一样，只是比重不一致。门捷列夫为此写了一封信给巴黎科学院，指出镓的比重应该是5.9左右，而不是4.7。当时镓还在布瓦博德兰手里，门捷列夫还没有见到过。这件事使布瓦博德兰大为惊讶，于是他设法提纯，重新测量镓的比重，结果证实了门捷列夫的预言，比重确实是5.94。这一结果大大提高了人们对元素周期律的认识，它也说明很多科学理论被称为真理，不是在科学家创立这些理论的时候，而是在这一理论不断被实践所证实的时候。当年门捷列夫通过元素周期表预言新元素时，有的科学家说他狂妄地臆造一些不存在的元素。而通过实践，门捷列夫的理论受到了越来越普遍的重视。
随着周期律广泛被承认，门捷列夫成为闻名于世的卓越化学家。各国的科学院、学会、大学纷纷授予他荣誉称号、名誉学位以及金质奖章。1882年英国皇家学会就授予门捷列夫以戴维金质奖章，1889年英国化学会授予他最高荣誉——法拉第奖章。
各国科学院纷纷请他去访问，一些报社记者也争先恐后地采访他。
有一天，彼得堡的一位报社记者上门采访说：“门捷列夫先生，您是否承认您是一位天才？”
“什么是天才？终身努力，便成天才！”
“可是我听说您是在晚上做了一个梦，梦见您桌子上的牌变成一条蛇，这蛇又弯成几折，醒来后就制出了周期表。”
门捷列夫笑着答道：“您要知道，这个问题我大约想了有20年，而您却以为坐着不动，5个戈比一行、5个戈比一行地写，就写出来了，事情哪有那么简单。”
门捷列夫年过七旬后，积劳成疾，竟双目半盲。他每天从清晨工作到下午5：30，“中饭”后继续工作到深夜。1907年1月20日清晨5时门捷列夫不幸与世长辞。他是在书桌前死去的，去世时手里还握着笔。送葬那天，队伍前面抬着一张巨大的元素周期表。自发参加送葬的群众达几万多人。