在他题为《元素性质与原子量的关系》的一篇论文中首次提出了元素周期律，发表了第一张元素周期表。这个表包括了当时科学家已知的63种元素，表中共有67个位置，尚有4个空位只有原子量而没有元素名称，门捷列夫假设，有这种原子量的未知元素存在。在表中，他还对铟、碲、金、铋四种元素当时公认的原子量表示质疑。比如根据碲在元素周期表中的位置在碘的前面，门捷列夫认为碲的原子量应该比碘小，而不是当时人认为的比碘大。这是门捷列夫发现元素周期律的最初思想。在他的第一张元素周期表发表以后，门捷列夫对元素周期律继续进行了深入研究。特别是