Trabalha no Laboratório Wurtz, em Paris, e faz pesquisas sobre petróleo na Pensilvânia, Estados Unidos (EUA), e no Cáucaso, Rússia. Em 1863 assume a cátedra de química do Instituto Tecnológico de São Petersburgo e realiza estudos que resultam na descoberta de que a propriedade física e química dos elementos é função periódica do peso atômico deles.
Elabora, com base nisso, a classificação dos elementos, agrupando-os em uma tabela em ordem crescente de acordo com o peso atômico. Ao notar que as propriedades se repetem periodicamente, encontra lacunas na tabela, o que o leva a prever a existência de três novos elementos.
Eles são observados e, pouco tempo depois, classificados como gálio (1875), escândio (1879) e germânio (1886). Em 1890, enquanto trabalhava para as Forças Armadas russas, dedica-se a estudar a nitrocelulose e contribui para a preparação de uma pólvora sem fumaça. Em 1905 é premiado pela Royal Society, de Londres, com a medalha Copley. Morre em São Petersburgo.