Elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki benzerliklerin araştırılması fizik ve kimyacıları tarih boyunca ilgilendirmiştir.
Gerçi benzer özelliklerindeki elementlerin sıralanabilmesi için bilinen elementlerin özelliklerinin öncelikle ortaya konulması gerekir. Altın,gümüş,kalay,bakır,kurşun ve cıva gibi elementler eski çağlardan beri biliniyordu. Bir elementin ilk bilimsel olarak bulunması 1649 yılında Henning Brand'ın fosforu bulmasıyla başlar. Bundan sonraki 200 yıl boyunca elementler ve onların bileşikleri hakkında kimyacılar tarafından pek çok bilgi elde edildi. Bununla beraber 1869 yılına kadar toplam 63 element bulunabilmişti. Bilinen elementlerin sayısı arttıkça, bilim adamları elementlerin özelliklerinin belli kalıplara oturduğunu anlamaya başladılar.
1817 yılında Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) benzer kimyasal özelliklere sahip olan stronsiyum, kalsiyum ve baryuma bakarak, stronsiyumun atom ağırlığının kalsiyum ve baryum atom ağırlıklarının ortasında olduğuna dikkat çekti.
1829 ve 1858 yılları arasında bu konuda pek çok araştırma yapıldı. Bu sırada halojenler grubuna katıldı. Oksijen, kükürt, selenyum ve tellür bir grubun üyesi olarak düşünülürken azot, fosfor, arsenik, antimon ve bizmut başka bir grup içine yerleştirildiler.
Eğer bir periyodik tablo, elementlerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini periyodik olarak gösteren bir çizelge olarak düşünülürse ilk periyodik tabloyu oluşturma şerfi Fransız bilim adamı A. E. Beguyer de Chancourtois'e düştü. De Chancourtois, silindirin çevresine 16 kütle yerleştirerek elementleri buraya oturttu. Benzer özellikteki elementler bu silindir üzerinde düşey satırlarda yer alıyordu. De Chancourtois, "Elementlerin özellikleri sayıların özellikleri ile ilişkilidir." Dedi ve her yadi elementte bir özelliklerinin tekrarlandığının farkına vardı. Bu tablo kullanılarak birkaç metal oksidin stokiyometrisi önceden tanımlanabildi. Ne yazık ki bu cetvel üzerinde elementlerden başka bazı iyonlar da yer alıyordu.
İngiliz kimyacı John Newlands 1863 yılında yazdığı bir yazıda benzer fiziksel özelliklere göre elementleri 11 gruba ayırmıştı. Atom ağırlıkları sekizin katı kadar olan elementlerin özellikleri benzerdi. 1864 yılında yazılan bir yazıda Newlands bunu Oktav kanunu (Law of Octaves) olarak tanımladı. Bu kanuna göre herhangi bir element tablodaki sekizinci elementle benzerlik gösteriyordu.
Genelde periyodik tablonun babası olarak Alman bilim adamı Lother Meyer ve Rus bilim adamı Dimitri Mendeleyev kabul edilir. Her ikisi de birbirinden habersiz olarak
dikkate değer benzer sonüçlar ürettiler. Lother Meyer bilinen elementleri atom hacimlerine göre sıraladı.
1869' Rus kimyacı Mendeleyev, o dönemde bilinen bütün elementleri atom kütlelerinin büyüklüğüne göre sıralayarak bir liste hazırladı. Mendeleyev, İngiliz kimyacı John Newlands'ın yaptığı araştırmalardan, benzer kimyasal ve fiziksel özelliklerin listede oldukça düzenli aralıklarla yineleneceğini biliyordu ve cetvelini de benzer özellikleri olan elementler alt alta gelecek biçimde hazırlamıştı. Cetvelinde bazı boşluklar kalmıştı, ama Mendeleyev bu boşlukların ileride bulunacak elementlerle dolacağını tahmin ediyordu; bu tahminde haklı da çıktı. Öte yandan Alman kimyacı Lothar Meyer de aynı sıralarda benzer buluşlar gerçekleştirdi.
1895 yılında Lord Rayleigh, kimyasal olarak yeni bir gazı (argon) keşfettiğini bildirdi. Bu element periyodik tabloda bilinen hiçbir yere oturtulamadı. 1898 yılında William Ramsey bu elementin klor ile potasyum arasında bir yere konulabileceğini önerdi. Helyum da aynı grubun bir üyesi olarak düşünüldü. Bu grup elementi değerliklerinin sıfır olması nedeniyle sıfır grubu olarak adlandırıldı. Mendeleyev'in periyodik tablosu her ne kadar elementlerin periyodik özelliklerini gösterse de neden özelliklerin tekrarlandığı konusunda herhangi bir bilgi vermemektedir.
1911 de Ernest Rutherford atom çekirdekleri alfa parçacıklarının saçılması nedeniyle çekirdek yükünün belirlenebileceğini gösterdi. Rutherford'un gösterdiği diğer bir şey bir çekirdeğin yükünün atom ağırlığı ile orantılı olduğuydu. Yine 1911'de A. Van den Broek bir seri çalışmasıyla elementlerin atom ağırlıklarının atom üzerindeki yüke yaklaşık eşit olduğunu gösterdi. Bu yük daha sonra atom numarası olarak tanımlandı ve periyodik tablodaki elementleri yerleştirmede kullanıldı.
1913 de Henry Moseley bir grup elementin X-ışınlar spektrum çizgilerin dalga boylarını ölçerek atom numarası ve elementlerin X-ışınları dalga boylarının ilişkili olduğunu gösterdi. Bu çalışma Mendeleyev, Mayer ve diğerlerinin yaptığı gibi atom ağırlıklarını temel seçmedeki yanlışlığı gösteriyordu.
Fakat neden periyodik özellikler sorusunun yanıtı ise Niels Bohr'un elementlerdeki elektronik yapıyı incelemesiyle başlar denilebilir. Periyodik tablodaki en son büyük değişiklik, 20. yüzyılın ortalarında Glenn Seaborg'un çalışmasıyla ortaya çıktı. 1940'ta plutonyumu bulmasıyla başlayan araştırması, 94'ten 102'ye kadar olan tüm uranyum ötesi elementlerin bulmasıyla sürdü. Periyodik tablodaki lantanit serisinin altına aktinitler serisini yerleştirdi. 1951'de Seaborg bu çalışmaları ile kimyada Nobel ödülünü kazandı. 106 numaralı element seaborgium (Sg) olarak adlandırıldı.