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Propuso la idea de que los elementos formadores del universo eran cuatro: la tierra, el agua, el aire y el fuego.

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Propone la existencia de unidades fundamentales de la materia a las que llamó “átomos”.

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Reconoce que los compuestos siempre contienen proporciones de peso de cada elemento que son números enteros. Elabora una tabla con los pesos atómicos de los elementos conocidos en su época.

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Simplificó grandemente la nomenclatura y la escritura de la química e implantó el sistema de símbolos químicos que se usan en la actualidad.

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Fue el primer químico que aisló el silicio (en 1823), el circonio (en 1824), el torio (en 1828) y el titanio. Estudió las combinaciones de azufre con fósforo, el flúor y los fluoruros, determinó un gran número de equivalentes químicos. Dividió los elementos naturales en dos grandes grupos: metales y no metales.

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Este químico alcanzó a elaborar un informe que mostraba una relación entre la masa atómica de ciertos elementos y sus propiedades en 1817. Él destaca la existencia de similitudes entre elementos agrupados en tríos que él denomina “tríadas”. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. Pone en evidencia que la masa de uno de los tres elementos de la triada es intermedia entre la de los otros dos. En 1850 pudimos contar con unas 20 tríadas para llegar a una primera clasificación coherente.

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Ordenó a los elementos con base en sus masas atómicas y observó que cada octavo elemento tenía propiedades semejantes al primero. Este hecho fue nombrado como la ley de las octavas, pero no se cumplía con elementos de mayor masa atómica, por lo que fue rechazada. Pero esta ley no puede aplicarse a los elementos más allá del Calcio. Esta clasificación es por lo tanto insuficiente, pero la tabla periódica comienza a ser diseñada.

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Presenta una primera versión de su tabla periódica en 1869. Esta tabla fue la primera presentación coherente de las semejanzas de los elementos. Él se dio cuenta de que clasificando los elementos según sus masas atómicas crecientes se veía aparecer una periodicidad en lo que concierne a ciertas propiedades de los elementos. La primera tabla contenía 63 elementos. Esta tabla fue diseñada de manera que hiciera aparecer la periodicidad de los elementos. De esta manera los elementos son clasificados verticalmente. Las agrupaciones horizontales se suceden representando los elementos de la misma “familia”. Para poder aplicar la ley que él creía cierta, tuvo que dejar ciertos huecos vacíos. Estaba convencido de que un día esos lugares vacíos que correspondían a las masas atómicas 45, 68, 70 y 180, no lo estarían más, y los descubrimientos futuros confirmaron esta convicción. Consiguió además prever las propiedades químicas de tres de los elementos que faltaban a partir de las propiedades de los cuatro elementos vecinos. Entre 1875 y 1886, estos tres elementos: galio, escandio y germanio, fueron descubiertos y ellos poseían las propiedades predichas. Sin embargo, aunque la clasificación de Mendeleïev marca un claro progreso, contiene ciertas anomalías debidas a errores de determinación de masa atómica de la época.

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Su clasificación de los elementos coincidió con la Mendeleiev, aunque eran de países diferentes, él de Alemania y Mendeleiev de Rusia.

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Descubrió que el número atómico aumenta en el mismo orden que la masa atómica periódica. Enuncio la “Ley periódica” que dice: “si los elementos se colocan según su número atómico, se observa una variación periódica de sus propiedades física y químicas

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Descubrió y aisló 10 elementos químicos transuránicos, elementos con número atómico superior a 92. Además fue el primero en proponer la serie actínida, que contribuyó a la clasificación actual de la tabla periódica.