门捷列夫誊清了有史以来第一张元素周期表后，便为它起名为《根据元素的原子量及其化学近似性试排的元素系统表》。
为了使元素周期表更加精确和完善，门捷列夫丢下《化学原理》一书的编写工作，集中全部精力攻克元素周期难题。1871年初，他又发表了一篇更有分量的论文《化学元素的周期规律性》。论文说明了化学元素周期律的意义和运用的范畴。用门捷列夫自己的话说：“这篇论文是对元素周期性的观点和见解最好的总结，也是以后多次论述这一理论的蓝本。”
附载在这篇论文中的元素周期表，形式上与现代元素周期表已相差无几：竖列的是族，横排的是周期；同族元素化学性质的相似更为清楚明白，由一个周期转入另一个周期的元素性质的变化也一目了然。门捷列夫在这篇论文中把元素周期律定义为：“元素（以及由元素所形成的单质或化合物）的性质周期地随着它们的原子量改变而改变。”按照现代科学理论，严格地说，元素的性质应该是随着原子核内质子的数目，即周期表内的原子序数而周期性地改变的。由于元素同位素的百分组成或相对半度不同，序数与原子量有时出现颠倒，如第27号的钴原子量是58.9332，28号的镍却是58.7，第52号的碲原子量是127.6，53号的碘却是126.9.当初，门捷列夫认为这些元素的原子量测得不够准确。难能可贵的是，他宁可相信元素化学性质的周期性变化规律，也不死守按照原子量大小排列元素位置的教条，所以在周期表上仍然正确地将钴排在镍之前，碲排在碘之前……
排第一张元素周期表时，门捷列夫对“通用原子量”75.6的铟放在哪里举棋不定。按照原子量，它应位于砷和硒的中间，可那里却没有空位，如硬挤进去，不仅与铟的化学性质显然不合，还将使本来适当其位的砷或硒无处栖身。最后，他只好将它放在表的下面，就像迟到的观众站在剧场门口等待领票一样。在这张周期表里，他将铟的化合价由 2改为 3，得到原子量为113.4，排在镉与锡的中间——原先，这个位置由铀占据，他依照同样的原理，将铀的化合价由 3改为 6，原子量也扩大一倍，从而使铟和铀都在周期表上“对号入座”、“妥善安置”了！
此外，两年前，门捷列夫认为只有4种尚未发现的元素，而在1871年附载在《化学元素的周期规律》论文中的周期表上，他竟留下了16个未知元素位置的空格，并推测其中有5种是超铀元素。
同年，门捷列夫又发表了一篇论文《元素的自然系统和应用它来指出尚未发现的元素的性质》。在这篇论文中，他详细论述了推测未知元素物理性质和化学性质的方法。具体地说，某一未知元素的性质，与它的同一族的上、下两个元素的性质及同一周期的左、右两个元素的性质密切相关。例如，它的原子量约等于上、下、左、右4个元素原子量的平均数，密度或比重也可以由此算得；它的化合价即所处族的元素的化合价，金属性比同一周期左面的元素弱而比右面的元素强，比同一族上面的元素强而比下面的元素弱；非金属性则恰恰相反。
历来新的化学元素大多由发现者命名。可门捷列夫却没有行使所发现的元素的命名权，只是在这些元素前面的元素上加一个冠词作为新元素的代称，如“埃卡硼”、“埃卡铝”……这既表明该新元素的物理性质和化学性质，又充分体现了运用元素周期律发现的特色。
至此，门捷列夫对元素周期律的研究已经完毕。
他终于歇了一口气，可是随之而来的却是反响不大，甚至销声匿迹！