Một mẫu bảng tuần hoàn của Mendeleev, từ ấn bản tiếng Anh đầu tiên của cuốn sách của ông (1891, dựa trên ấn bản thứ 5 bằng tiếng Nga)Bức tượng điêu khắc vinh danh Mendeleev và bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, tại Bratislava, Slovakia

Công trình do những người khác thực hiện hồi những năm 1860 cho rằng các nguyên tố có tính tuần hoàn. John Newlands, người xuất bản cuốn Định luật các Quãng tám (Law of Octaves) năm 1865. Sự thiếu hụt các khoảng trống cho những nguyên tố còn chưa được khám phá và việc đặt hai nguyên tố trong một ô đã bị chỉ trích và các ý tưởng của ông không được chấp nhận. Một công trình khác là của Lothar Meyer, người xuất bản một cuốn sách năm 1864, miêu tả 28 nguyên tố. Không công trình nào tìm cách dự đoán các nguyên tố mới. Năm 1863 đã có 56 nguyên tố được biết với một nguyên tố mới được khám phá với tốc độ xấp xỉ một nguyên tố mỗi năm.

Sau khi trở thành một giáo viên, Mendeleev đã viết cuốn sách hai tập cuối cùng ở thời điểm đó: Principles of Chemistry (Các nguyên tắc của Hoá học) (1868-1870). Khi ông tìm cách sắp xếp các nguyên tố theo các tính chất hoá học của chúng, ông nhận thấy các mẫu hình dẫn ông tới ý tưởng Bảng tuần hoàn. Tương truyền, người ta nói rằng sau một hôm suy nghĩ làm thế nào sắp xếp được các nguyên tố hóa học, Mendeleev ngủ đi và trong giấc mơ, ông mơ thấy có một cái bảng hiển thị lên các nguyên tố với vị trí đúng của nó. Mendeleev không hề biết về các công trình khác với các bảng tuần hoàn khác đang diễn ra trong thập niên 1860. Ông đã làm bảng sau, và bằng cách thêm các nguyên tố thêm theo mô hình này, phát triển phiên bản mở rộng của bảng tuần hoàn.[8][9]

Cl 35.5	K 39	Ca 40
Br 80	Rb 85	Sr 88
I 127	Cs 133	Ba 137

Ngày 6 tháng 3 năm 1869, Mendeleev có cuộc giới thiệu chính thức với Viện Hoá học Nga, với tiêu đề The Dependence between the Properties of the Atomic Weights of the Elements (Sự phụ thuộc giữa các Tính chất của Trọng lượng Nguyên tử của các Nguyên tố), miêu tả các nguyên tố theo cả trọng lượng nguyên tử và hoá trị. Cuộc trình bày này nói rằng

1. Các nguyên tố hoá học, nếu được sắp xếp theo trọng lượng nguyên tử, sẽ có một tính tuần hoàn rõ ràng trong tính chất.
2. Các nguyên tố tương tự về tính chất hoá học có các trọng lượng nguyên tử hoặc hầu như có cùng giá trị (ví dụ, Pt, Ir, Os) hoặc tăng đều (ví dụ, K, Rb, Cs).
3. Việc sắp xếp các nguyên tố thành các nhóm nguyên tố theo trật tự trọng lượng nguyên tử của chúng tương ứng với cái gọi là các hoá trị của chúng, cũng như, ở một số mức độ, với các tính chất hoá học riêng biệt của chúng; như thể hiện rõ trong các loạt nguyên tố Li, Be, B, C, N, O, và F.
4. Các nguyên tố có mật độ lớn nhất có trọng lượng nguyên tử nhó nhất.
5. Tầm mức trọng lượng nguyên tử xác định tính chất nguyên tố, giống như tầm mức phân tử xác định tính chất của một thành phần hợp chất.
6. Chúng ta phải đợi sự phát hiện của nhiều nguyên tố vẫn còn chưa được biết tới–ví dụ, hai nguyên tố, tương tự nhôm và silic, những nguyên tố có trọng lượng nguyên tử trong khoảng 65 và 75. Và những nguyên tố nào chưa biết sẽ chừa khoảng trống, trong tương lai phát hiện được thì thêm vào.
7. Trọng lượng nguyên tử của một nguyên tố có thể thỉnh thoảng được sửa đổi theo sự hiểu biết những nguyên tố tiếp giáp của nó. Vì thế trọng lượng nguyên tử của telua phải nằm trong khoảng giữa 123 và 126, và không thể là 128. Ở đây Mendeleev đã sai bởi khối lượng nguyên tử của telua (127.6) vẫn cao hơn khối lượng nguyên tử của iodine (126.9).
8. Một số tính chất đặc trưng của các nguyên tố có thể dự đoán trước từ trọng lượng nguyên tử của nó.

Mendeleev xuất bản bảng tuần hoàn các nguyên tố của tất cả các nguyên tố đã biết và dự đoán nhiều nguyên tố mới để hoàn thành bảng. Chỉ vài tháng sau, Meyer đã xuất bản một bảng rõ ràng giống hệt. Một số người coi Meyer và Mendeleev là những người đồng phát minh ra bảng tuần hoàn, nhưng rõ ràng mọi người đồng ý rằng sự dự đoán chính xác của Mendeleev về các đặc tính của cái ông gọi là ekasilicon, ekaaluminium và ekaboron (germanium, gallium và scandium) xứng đáng khiến ông xứng đáng với đa số lời khen ngợi về bảng tuần hoàn.

Về tám nguyên tố do ông dự đoán, ông đã sử dụng các hậu tố eka, dvi, và tri (tiếng Phạn một, hai, ba) trong việc đặt tên chúng. Mendeleev đã nghi ngờ một số trọng lượng nguyên tử hiện đã được chấp nhận (chúng chỉ có thể được đo với một độ chính xác khá thấp ở thời điểm đó), chỉ ra rằng chúng không tương ứng với những tính chất do Bảng tuần hoàn của ông chỉ ra. Ông lưu ý rằng tellurium có trọng lượng nguyên tử lớn hơn iodine, nhưng ông đặt nó vào trật tự đúng, dự đoán không chính xác rằng những trọng lượng nguyên tử đã được chấp nhận ở thời điểm đó là sai. Ông đã gặp khó xử khi tìm nơi đặt các lanthanide đã biết, và dự đoán sự tồn tại của hàng khác trong bảng là nơi đặt các actinide có một trong số các khối lượng nguyên tử nặng nhất. Một số người không chấp nhận việc Mendeleev dự đoán rằng sẽ còn có các nguyên tố khác, nhưng đã bị chứng minh là sai lầm khi Ga (gallium) và Ge (germanium) được tìm ra năm 1875 và 1886, trùng khớp một cách chính xác vào hai khoảng trống.[10]

Bằng cách đặt những cái tên tiếng Phạn cho các nguyên tố "còn thiếu", Mendeleev cho thấy sự tán tưởng và biết ơn của mình với các nhà ngữ pháp tiếng Phạn của Ấn Độ cổ đại, những người đã tạo ra các lý thuyết phức tạp về ngôn ngữ dựa trên việc khám phá ra hai mô hình hai chiều của họ trong các âm cơ bản. Theo Giáo sư Paul Kiparsky thuộc Đại học Stanford, Mendeleev là một người bạn của chuyên gia tiếng Phạn Böhtlingk, người đang chuẩn bị cho ấn bản thứ hai của cuốn sách của mình về Pānini[11] ở khoảng thời gian đó, và Mendeleev muốn vinh danh Pānini với sự đặt tên của mình.[12] Lưu ý thấy có những sự tương tự đáng chú ý giữa Bảng tuần hoàn và đoạn mở đầu của ngữ pháp Panini, Giáo sư Kiparsky nói:

Sự tương tự giữa hai hệ thống rất đáng chú ý. Bởi khi Panini thấy rằng các mô hình âm vị của âm thanh trong ngôn ngữ là một chức năng của các tính chất phát âm của chính, vì thế Mendeleev thấy rằng các tính chất hoá học của các nguyên tố là một chức năng của các trọng lượng nguyên tử của chúng. Giống như Panini, Mendeleev đã đạt tới phát minh của mình thông qua một sự nghiên cứu "ngữ pháp" của các nguyên tố...[13]