Бесконечные хлопоты Дмитрия Ивановича о расширении помещения и средств мало помогали делу. С 1866 г. лаборатория состояла всего лишь из двух комнат, прячем одна из них была темная. В лучшую пору, в самый расцвет творчества, внешние условия нельзя считать особенно благоприятными для работы Дмитрия Ивановича, которая, кто знает, может быть была бы при ином положении еще продуктивнее. Такова была издавна судьба российского крупного ученого: так же воевал из-за устройства лаборатории Ломоносов и так же годами был лишен ее.
Как впервые, преподавая органическую химию, двадцатилетний доцент Менделеев столкнулся с отсутствием учебного пособия, так и теперь, зрелый профессор, по этой же причине задумал написание курса общей химии. «Основы химии» — таково было название задуманного труда, ставшего эпохой не только в творческой судьбе Д. И. Менделеева, но и в истории развития химии.
Результат педагогического опыта, курс читанных им лекций был положен Дмитрием Ивановичем в основание затеянного труда. Но, приводя в порядок лекционные записки, систематизируя материал, уточняя свое понимание химических явлений, он придвинулся вплотную к работе, итогом которой было создание периодического закона. В предисловии к одному из изданий «Основ химии» Дмитрии Иванович объясняет, исходя из какой мысли найден был им и упорно защищаем периодический закон: «Посвятив свои силы изучению вещества, я вижу в нем два таких признака: массу, занимающую пространство и проявляющуюся в протяжении, а яснее и реальнее всего в весе, и индивидуальность, выраженную в химических превращениях, а яснее всего формулированную в представлении о химических элементах. Когда думаешь о веществе, помимо всякого представления о материальных атомах, нельзя для меня избежать двух вопросов. сколько и какого дано вещества, чему соответствуют понятия — массы и химических элементов. История же науки, касающейся вещества, т. е. химии, приводит волей или неволей к требованию признания не только вечности массы вещества, но и вечности химических элементов. Поэтому невольно зарождается мысль о том, что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь, а так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде атомов, то надо искать функционального соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами. Искать же чего-либо, хотя бы грибов, или какую-либо зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя. Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и низкие атомные веса, что быстро и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса, причем, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуту не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайности допустить было невозможно». О свойствах же элементов Дмитрий Иванович говорит так: «У элементов есть точное, измеримое и никакому сомнению не подлежащее то свойство, которое выражается в их атомном весе. Величина его показывает относительную массу атома, или, если избежать понятия об атоме, величина его показывает отношение между массами, составляющими химические самостоятельные индивидуумы или элементы. А по смыслу всех точных сведений об явлениях природы масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства, потому что все они определяются подобными же условиями или такими же силами, какие действуют в весе тела, он же прямо пропорционален массе вещества. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимости между свойствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами — с другой».
Таким образом «сущность понятий, вызывающих периодический закон, кроется в общем физико-химическом начале соответствия, превращаемости и эквивалентности сил природы. От массы вещества находятся в прямой зависимости тяготение, притяжение на близких расстояниях и много иных явлений. Нельзя же думать, что химические силы не зависят от массы. Зависимость оказывается потому, что свойства простых и сложных тел определяются массами атомов их образующих».
В истории химии незабываемыми останутся дни 6 марта 1869 г. и 3 декабря 1870 г. В первый из них делопроизводитель Русского физико-химического общества профессор Н. А, Меншуткин за отсутствием Дмитрия Ивановича Менделеева сделал доклад: «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сродстве». На самом деле пока еще это был только опыт. Система не претендовала на законченность. Была только идея значительная, большая, но пока еще недостаточно разработанная. Это был скорее еще один вклад в классификацию элементов, чем закон.
До Менделеева вопросами классификации задавались многие, удачнее других Дюма. Позднее, в шестидесятых годах XIX века работали над этим Шанкуртуа, Ньюлендс, и Л. Мейер. В работе их встречались затруднения, вызванные, во-первых, тем, что аналогии металлов часто недостаточно резки, а во-вторых, в иных металлах замечалась двойственность характера, так что они являлись как бы переходами из одной группы в другую. Это тормозило классификацию, стремившуюся сгруппировать их по отдельности. Однако кое-какие металлы удалось разнести по группам. Так, понемногу сортировались элементы. Но между группами элементов не было связи, которая обняла бы все аналогии и связала все группы каким-то генеральным принципом в одно целое, где отдельные элементы были бы лишь звеньями цепи. Первый опыт Дмитрия Ивановича страдал многими недостатками прежних исследований и тем не менее там уже было то общее, из чего можно было исходить в дальнейшем: «все свойства элементов и их соединений изменяются в зависимости от изменений их атомных весов».
В процессе дальнейшей работы Дмитрий Иванович выяснил, что свойства изменяются не так как атомные веса, т. е. не возрастают непрерывно от первого элемента к последнему, а после некоторого возрастания вновь убывают. Такое колебание появляется равномерно, периодически среди элементов, расположенных по порядку их атомного веса. На основании этого выведен Дмитрием Ивановичем периодический закон. Сформулировал он его 3 декабря 1870 г. окончательно так: «Свойства простых тел, так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».
«Указав на периодичность в изменениях свойств элементов, Д. И. Менделеев придал им и соответствующее расположение: он разместил их в горизонтальные ряды по величине атомного веса и при этом элементы, в которых свойства повторяются, подписал под теми, к которым они все ближе подходят, так что образовались кроме горизонтальных рядов еще вертикальные группы, заключающие ближайшие по сходству в свойствах аналогии. От такого расположения и получилась так называемая периодическая система химических элементов».
В окончательно установленной периодической системе оказалось несколько незанятых мест. Объяснялось это тем, что не все элементы были известны науке. Дмитрий Иванович, указывая на эти пробелы в системе, предсказал существование трех из них и теоретически вывел все их свойства, полагая, что они средние между ближайшими элементами. Неизвестные элементы были им названы: эка-бором, эка-алюминием, эка-силицием.
Несмотря на то, что в науке открытие Менделеева было оценено как мировое, многие иностранные ученые не обратили на него должного внимания, а в Германии открытие это даже приписали известному немецкому химику Лотару Мейеру, а отнюдь не Менделееву. В 1867 г. появилась книга Мейера «Die modern Teorien der Chemie», представлявшая собой изложение работ других авторов: в книге приведена таблица из 28 элементов, также заимствованная из других авторов, а не составленная Мейером. В 1870 г. появился его труд, помеченный декабрем 1869 г. «Природа химических элементов как функция их атомных весов». О Менделееве он там говорит: «Недавно Менделеев показал, что подобная система получается, если надписать без произвольного выбора атомные веса по порядку, эту цепь разложить на отделы и их в неизменном порядке приставить друг к другу. Нижеследующая таблица по основной мысли идентична с таблицей, данной Менделеевым». И все же, несмотря на собственное признание Мейером научного приоритета Менделеева в создании окончательной системы элементов и несмотря на то, что основные положения Мейера гораздо ограниченнее менделеевских, долгое время германская наука, а за ней и европейская считали творцом «Периодического закона» Мейера. И только после открытия предсказанных Дмитрием Ивановичем элементов (это предсказание в свое время Мейер осмеял) слава творца «Периодического закона» всецело стала принадлежать Менделееву.