I 1869 klarte han å konstruere et periodesystem bygd på de 63 grunnstoffene som da var kjent. Han forbedret periodesystemet flere ganger i årene framover. Han forutså i tillegg eksistensen av flere ukjente grunnstoffer og kunne komme med detaljerte egenskaper til de ukjente stoffene. Et eksempel er grunnstoffet gallium. Først da grunnstoffene som Mendelejev hadde forutsett egenskapene til, ble oppdaget, begynte kjemikerne å ta periodesystemet på alvor. Det periodesystemet som han utviklet i 1872, ble brukt i lærebøker i nesten 80 år.