部分原因在于阿伏伽德罗本人是个内向的人——他独自工作，很少与同行科学家通信，发表的论文很少，也不参加任何会议——但也是因为没有会议可参加，化学期刊也很少可供发表。这是一个相当非同寻常的事实。工业革命在很大程度上是由化学发展推动的，然而作为一门有组织的科学，化学在几十年里几乎不存在。
伦敦化学会直到 1841 年才成立，直到 1848 年才开始定期出版期刊，而那时英国大多数学术团体——地质学会、地理学会、动物学会、园艺学会和林奈学会（面向博物学家和植物学家）——至少已经成立了二十年，甚至更久。与之竞争的化学研究所直到 1877 年才成立，比美国化学学会晚了一年。由于化学组织起来如此缓慢，阿伏伽德罗 1811 年的重要突破的消息直到 1860 年在卡尔斯鲁厄举行的第一届国际化学大会上才开始普遍传播。
由于化学家长期以来都是孤立工作的，惯例的形成非常缓慢。直到十九世纪下半叶，H2O2这个化学式对一位化学家来说可能意味着水，但对另一位化学家来说却意味着过氧化氢。C2H4可能表示乙烯或沼气。几乎没有一个分子在各地都有统一的表示方法。
化学家们还使用着令人眼花缭乱的各种符号和缩写，通常是自创的。瑞典的 J. J. 贝采里乌斯通过规定元素应根据其希腊语或拉丁语名称进行缩写，为事情带来了亟需的秩序，这就是为什么铁的缩写是 Fe（来自拉丁语 ferrum），银的缩写是 Ag（来自拉丁语 argentum）。许多其他缩写与其英语名称一致（N 代表氮，O 代表氧气，H 代表氢气等等）反映了英语的拉丁语性质，而非其崇高地位。为了表示分子中原子的数量，贝采里乌斯使用了上标符号，如 H2O。后来，出于没有特殊原因，流行将数字写成下标：H2O。
尽管偶尔进行整理，但到了十九世纪下半叶，化学界一片混乱，这就是为什么当 1869 年圣彼得堡大学一位名叫德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫的古怪而看似疯狂的教授崭露头角时，所有人都如此高兴。
门捷列夫（有时也拼写为 Mendeleev 或 Mendeléef）于 1834 年出生在西伯利亚遥远的西部城市托博尔斯克，他来自一个受过良好教育、相当富裕且非常庞大的家庭——事实上，如此之大，以至于历史已经无法准确追踪到底有多少门捷列夫家族成员：一些资料说有十四个孩子，另一些说有十七个。无论如何，所有人都同意德米特里是最小的。运气并非总是眷顾门捷列夫家族。德米特里小时候，他的父亲，当地一所学校的校长，失明了，他的母亲不得不出去工作。显然是一位非凡的女性，她最终成为了一家成功的玻璃厂的经理。一切顺利，直到 1848 年，工厂烧毁，家庭陷入赤贫。决心让最小的孩子接受教育，这位不屈不挠的门捷列夫夫人带着年轻的德米特里搭便车行走了四千英里到达圣彼得堡——这相当于从伦敦旅行到赤道几内亚——并将他送入了教育学院。她因操劳过度，不久后去世。
门捷列夫尽职尽责地完成了学业，最终在当地大学获得了一个职位。在那里，他是一位称职但并非特别出色的化学家，以其蓬乱的头发和胡须（他每年只修剪一次）而闻名，而非他在实验室的天赋。
然而，在 1869 年，三十五岁的他开始琢磨一种排列元素的方法。当时，元素通常以两种方式分组——要么按原子量（使用阿伏伽德罗原理），要么按共同属性（例如，它们是金属还是气体）。门捷列夫的突破在于认识到这两者可以结合在一个单一的表格中。
正如科学中常有的情况那样，这个原理实际上在三年前就被英国一位名叫约翰·纽兰兹的业余化学家预见到了。他提出，当元素按重量排列时，它们似乎在标度上每隔八个位置就重复某些属性——在某种意义上是和谐的。纽兰兹有点不明智地（因为这个想法的时机尚未成熟）称之为八音律，并将这种排列比作钢琴键盘上的八度音阶。也许是纽兰兹的表述方式有问题，但这个想法被认为是根本上荒谬的，并受到了广泛的嘲笑。在聚会上，更滑稽的听众有时会问他是否能让他的元素给他们演奏一小段曲子。纽兰兹灰心丧气，放弃了推广这个想法，很快就销声匿迹了。
门捷列夫使用了略有不同的方法，将他的元素分成七组，但采用了基本相同的原理。突然之间，这个想法似乎变得绝妙而富有洞察力。由于这些属性周期性地重复出现，这项发明被称为元素周期表。
据说门捷列夫的灵感来自于一种纸牌游戏，在北美被称为 solitaire，在其他地方被称为 patience，游戏中纸牌按花色水平排列，按数字垂直排列。他运用大致相似的概念，将元素排列成水平的行（称为周期）和垂直的列（称为族）。这立刻显示出一种关系，即上下阅读时一种关系，左右阅读时另一种关系。具体来说，垂直列将具有相似属性的化学物质放在一起。因此，铜位于银之上，银位于金之上，因为它们作为金属具有化学亲和力，而氦、氖和氩则位于由气体组成的列中。（实际的、正式的排序决定因素是一种称为电子价的东西，如果你想理解它，就得报名参加夜校。）与此同时，水平行则按原子核中质子数量的升序排列化学物质——这被称为它们的原子序数。
原子的结构和质子的意义将在下一章讨论，所以目前只需要理解这个组织原则：氢只有一个质子，所以它的原子序数是 1，排在图表的首位；铀有九十二个质子，所以它排在接近末尾的位置，原子序数是九十二。从这个意义上说，正如菲利普·鲍尔所指出的那样，化学实际上只是一个计数问题。（顺便说一句，原子序数不应与原子量混淆，原子量是给定元素中质子数加中子数。）还有很多事情是当时不知道或不理解的。氢是宇宙中最常见的元素，然而在接下来的三十年里没有人会猜到这一点。氦是第二丰富的元素，仅仅在前一年才被发现——在此之前甚至没有怀疑过它的存在——而且不是在地球上，而是在太阳上，是在一次日食期间用分光镜发现的，这就是为什么它以希腊太阳神赫利俄斯的名字命名。直到 1895 年它才被分离出来。即便如此，多亏了门捷列夫的发明，化学现在有了坚实的基础。
对我们大多数人来说，元素周期表在抽象意义上是一种美的事物，但对化学家来说，它建立了一种直接的秩序性和清晰性，其重要性几乎无法 overstated (夸大)。“毫无疑问，化学元素周期表是有史以来设计得最优雅的组织结构图，”罗伯特·E·克雷布斯在《我们地球化学元素的历史与用途》中写道，你可以在几乎所有印刷版的化学史中找到类似的观点。
如今我们已知有“大约 120 种”元素——92 种天然存在的，外加二十多种在实验室中创造出来的。实际数字略有争议，因为那些重的、合成的元素只存在百万分之一秒，化学家们有时会争论它们是否真的被检测到了。在门捷列夫时代，只知道 63 种元素，但他聪明的一部分在于意识到当时已知的元素并未构成一幅完整的图景，许多部分缺失了。他的周期表以令人愉悦的精确性预测了新元素被发现时将插入的位置。
顺便说一句，没人知道元素数量能达到多高，尽管任何原子量超过 168 的都被认为是“纯粹推测性的”，但可以肯定的是，任何被发现的元素都能整齐地融入门捷列夫的伟大体系中。
十九世纪给化学家们带来了最后一个巨大的惊喜。它始于 1896 年，当时巴黎的亨利·贝克勒尔不小心将一包铀盐放在抽屉里一个包裹好的照相底片上。一段时间后，当他取出底片时，惊讶地发现盐在底片上留下了印记，就好像底片曾暴露在光线下一样。这些盐正在发出某种射线。
考虑到他发现的重要性，贝克勒尔做了一件非常奇怪的事：他把这件事交给了一位研究生去调查。幸运的是，这位学生是一位名叫玛丽·居里的新近波兰移民。居里夫人和她的新婚丈夫皮埃尔一起工作，发现某些种类的岩石不断地倾泻出非凡的能量，但其大小却没有减小，也没有任何可检测到的变化。她和她的丈夫当时无法知道——在爱因斯坦下个十年解释清楚之前，没有人能知道——的是，这些岩石正在以极其高效的方式将质量转化为能量。玛丽·居里将这种效应称为“放射性”。在他们的工作中，居里夫妇还发现了两种新元素——钋，以她的祖国波兰命名，以及镭。1903 年，居里夫妇和贝克勒尔共同获得了诺贝尔物理学奖。（玛丽·居里将在 1911 年获得第二个诺贝尔奖，这次是化学奖，她是唯一一位在化学和物理两个领域都获奖的人。）