1834年2月，門捷列夫生於俄國西伯利亞的託波爾斯克，是父母的第14個孩子。他父親本是一所中學的校長，就在他出生不久，父親突然雙目失明，只好退休回家。門捷列夫出生後，家庭和社會似乎都沒有向他表示多少歡迎，反而遭受了一連串的困苦。3年後，他父母先後去世。
門捷列夫在艱苦的條件下，發奮學習，好不容易才讀完了中學。由於山區學校條件很差，教學質量也差，加上經濟困難，他根本不可能也不敢報考名牌大學，在舅舅的資助下，他報考了不收學費的彼得堡師範學院。
畢業後，門捷列夫到中學任教。他一邊教書，一邊研究。1856年，他帶上《論比容》一文重返彼得堡，獲得了碩士學位。22歲時，他被該校任命為副教授。後來，他到德國深造。1865年，獲得博士學位，成為彼得堡大學的教授，那時門捷列夫年僅31歲。
門捷列夫原來是教有機化學的，後來改教無機化學。他認為當時的教科書都不能反映化學發展的最新成果。於是，他準備自己重新編一本教科書。誰知，還未動筆，就碰到了一大堆困難，因為化學發展較快，又因長期以來，無人很好地加以總結，整個無機化學一團糟，使他無從著手。怎麼辦呢？他想，要想編書，首先得理出個頭緒來。當時發現的化學元素已達60多種，這些元素間有沒有內在聯繫？能否從中找出什麼規律？他決心由此開始研究。
一入手才知道，原來早就有不少化學家開始探索化學元素之間的聯繫了。門捷列夫很高興，說明自己這樣做是抓住了問題的關鍵。當時各種元素被分成金屬、非金屬、氣體和土質四大類。到1829年，已發現的化學元素達到63種。德國化學家德貝萊納挑出其中的15個元素，按性質分為一組，共分出五組，稱為“三素組”。德國的邁耶爾製出了“六元素表”，英國的紐蘭茲則發現了“八音律”等等。雖然這些分類方法都各有道理，但誰也沒有真正找出這些元素之間的內在聯繫及其相互關係。
門捷列夫仔細分析了前人的研究成果，從中受到了一些啟發，也發現了許多不足之處。一連幾年，門捷列夫都在苦苦思索編排元素表的事，十分勞累，常常伏在辦公桌上睡著了。
有一次，他做了一個夢，夢見自己在打撲克，而手裡的撲克牌恰好每張上標著一種元素。不知怎麼，玩了一會兒，自己竟把元素排列分類了，並且畫了一張表，將元素填進去了，元素表就出來了。他十分高興，樂得直笑，這一笑就笑醒了。
這個夢使門捷列夫受到啟示，他真的找來硬紙，剪成和牌一樣大小的紙片，每張紙片都寫上一種元素的名字、主要性質和原子量等。這副紙牌共63張，因為當時人們已發現了63種元素，其中金屬元素48種，非金屬元素15種。
做好“牌”以後，門捷列夫獨自玩起來，他一會兒按元素原子量的大小依次排列，一會兒又按元素的性質排列。左排右排，並不斷地調換各張紙牌的位置，一連玩了幾個晝夜，也沒排出個名堂來。
這確實是一種特殊的牌，其玩法也特殊，一個人玩，不分輸贏，一般人絕對不會感興趣。可門捷列夫的“牌癮”特別大，常常一個人饒有興趣地玩。經反覆推敲，他發現了一種有趣的現象，即在某一元素後，每隔7個元素，便會出現與該元素十分相近的元素。他的結論是：元素的性質與元素的原子量成周期性的關係。根據這一規律，門捷列夫將63種元素排列成一張表。1869年2月，他完成了第一張正式的元素週期表。
隨後，門捷列夫見不斷有消息報道，某人發現了某種新元素。他從中受到啟發，這說明還有許多新元素未被人發現。因此，他在給元素安排席位的時候，就給那些姍姍來遲者都留有一席之位，以示歡迎這些遲到的客人。
1875年，法國化學家布瓦博德朗發現了“鎵”這種新元素，並測得其密度為4．7。門捷列夫看了布瓦博德朗的論文後，立即寫信說：“鎵是我4年前就預言到的一種類鋁元素……但您測得的密度與我預言的相差較大，我推測的為5．9到6，您測得的為4．7，建議您最好重測一下鎵的密度。”
布瓦博德朗收信後覺得非常奇怪：鎵是我最先發現的，全世界只有我有一毫克鎵。你見都未見過，怎能說我把密度測錯了，簡直是莫名其妙！他馬上回信：“肯定沒錯！”不過，他還是重新測了鎵的密度，但幾次則得的結果均為5．94。布瓦博德朗驚奇不已：真是神機妙算啊，怎麼恰好在門捷列夫預言的5．9－6之間呢？
這一消息很快傳遍了歐洲，科學界震驚了。與此同時，門捷列夫也因發現元素週期表而揚名世界。
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