1860'lara gelindiğinde kimyacılar bilinen yaklaşık 60 elementin atom ağırlıklarını oldukça doğru ölçmüştü; 1860 Karlsruhe Kongresi'nde Stanislao Cannizzaro Avogadro hipotezini yeniden gündeme getirerek ortak bir ölçek üzerinde anlaşmayı sağlamıştı. Ama elementler hâlâ uzun bir liste halindeydi — neden bazıları benzer davranıyordu (lityum, sodyum, potasyum hepsi suda şiddetle tepkir; flor, klor, brom hepsi keskin renkli, zehirli gazlar) açıklanamıyordu.

6 Mart 1869'da Rus kimyager Dmitri İvanoviç Mendeleev, St. Petersburg Üniversitesi'nde yazdığı kimya ders kitabı için elementleri sıralarken bir gözlem yaptı: atom kütlesine göre dizilen elementlerin kimyasal özellikleri belirli aralıklarla tekrar ediyordu. Bu sezgiyi tek bir tabloya döktü ve Russian Chemical Society'nin toplantısında sundu. Aynı yıl Almanya'da Lothar Meyer büyük ölçüde benzer bir tabloyu bağımsız olarak hazırladı; ama Mendeleev'i ayıran üç cesur hamle vardı.

İlki: bazı elementler tablonun deseni içine uymadığında, Mendeleev atom kütlesi ölçümünün yanlış olabileceğini öne sürdü — ve birçok durumda haklı çıktı. İkincisi: deseni korumak için tabloda boş kareler bıraktı; o karelere oturması gereken, henüz keşfedilmemiş elementlerin atom kütlesi, yoğunluğu, oksitlerinin formülü için sayısal öngörüler verdi. Üçüncüsü: bu öngörüleri 1871'de yayımlanan genişletilmiş bir makalede tek tek listeledi. "Eka-alüminyum", "eka-bor", "eka-silisyum" diye adlandırdı.

1875'te Lecoq de Boisbaudran galyumu (eka-alüminyum), 1879'da Nilson skandiyumu (eka-bor), 1886'da Winkler germanyumu (eka-silisyum) buldu — her birinin özellikleri Mendeleev'in on yıl önce verdiği rakamlarla şaşırtıcı uyum içindeydi. Tablo artık bir özet değil, bir tahmin makinesiydi: bilimsel kuramın gücü, geçmişi açıklamasından çok geleceği önceden söyleyebilmesindedir.

Mendeleev'in mantığı atom kütlesine dayanıyordu, ama bu bazen ters döndü (tellür–iyot, kobalt–nikel sıralaması). 1913'te Henry Moseley X-ışını spektrumlarıyla gerçek sıralayıcı niceliğin atom numarası — yani çekirdekteki proton sayısı — olduğunu gösterdi. Periyodik tablonun mantığı kuantum mekaniğinde tam yerini buldu: tekrar eden özellikler, elektron kabuklarının doluş düzeninin sonucudur. Bugünkü 118 elementlik tablo Mendeleev'in iskeletini hâlâ taşır; her yeni sentetik element (oganeson, tennesin) önceden ayrılmış kareye yerleşir.