เนื่องจากมีการค้นพบธาตุจำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์จึงได้จำแนกและจัดหมวดหมู่ของธาตุที่ค้นพบ มีวิวัฒนาการของตารางธาตุเริ่มตั้งแต่กฎชุดสาม กฎออกเตต กฎพิริออดิก ตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ จนไปถึงตารางธาตุที่ใช้ในปัจจุบัน ดังนี้

โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอแนวคิดเกี่ยวกับการจัดเรียงตารางธาตุ โดยเสนอว่า “เมื่อเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก มวลอะตอมของธาตุที่อยู่ตรงกลางจะเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของธาตุตัวบนและตัวล่าง” ซึ่งเรียกการจัดแบบนี้ว่า กฎชุดสาม ตัวอย่างเช่น

ตารางธาตุที่เดอเบอไรเนอร์เสนอนั้น ไม่สามารถอธิบายการจัดธาตุให้เป็นไปตามกฎชุดสามได้ทั้งหมด ดังนั้น กฎนี้จึงไม่เป็นที่ยอมรับมากนัก

จอห์น นิวแลนด์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้นำเสนอกฎออกเตต (Law of octaves) ซึ่งมีใจความสำคัญว่า “ถ้านำธาตุ 8 ธาตุ มาจัดเรียงตามมวลจากน้อยไปหามาก ธาตุตัวที่ 8 จะมีสมบัติคล้ายคลึงกับธาตุตัวที่ 1 เสมอ” (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียม) ซึ่งจัดเรียงได้ ดังนี้

        Li    Be    B    C    N    O    F

        Na    Ca    Al    Si    P    S    Cl

        K    Mg

แต่ตารางธาตุของนิวแลนด์ใช้อธิบายได้เฉพาะธาตุที่มีมวลอะตอมน้อย ๆ เท่านั้น เมื่อธาตุมีมวลอะตอมมากขึ้นจะไม่สามารถจัดเรียงตามที่นิวแลนด์เสนอได้ ทำให้แนวคิดของนิวแลนด์ไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา

ดิมิทรี อิวาโนวิช เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย และยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ศึกษาเกี่ยวกับการจัดเรียงธาตุ ซึ่งทั้งสองได้เสอนแนวคิดที่คล้ายกันว่า “เมื่อนำธาตุมาจัดเรียงลำดับตามน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น จะได้กลุ่มของธาตุที่มีสมบัติทางเคมีและสมบัติทางกายภาพเป็นชุด ๆ” โดยต่อมาได้เรียกแนวคิดนี้ว่า กฎพิริออดิก (periodic law) ซึ่งนับว่าเป็นก้าวแรกของตารางธาตุในสมัยปัจจุบัน

ทั้งนี้ผลงานของเมนเดเลเอฟได้รับการยอมรับมากกว่าผลงานของไมเออร์ เพราะผลงานของเมเดเลเอฟมีการพัฒนาและเผยแพร่อย่างต่อเนื่อง จึงทำให้เมนเดเลเอฟได้รับเกียรติโดยตั้งชื่อเขาเป็นชื่อตารางธาตุว่า ตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ (Periodic of Mendeleev)

ผลงานที่มีชื่อเสียงที่สุดผลงานหนึ่งของเมนเดเลเอฟ คือ การทำนายสมบัติของธาตุที่ในสมัยนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ เช่น ธาตุเอคา - ซิลิคอน (ธาตุที่อยู่ใต้ซิลิคอน) ซึ่งในเวลาต่อมาธาตุนี้ถูกค้นพบและมีชื่อเรียกว่า ธาตุเจอร์เมเนียม (Ge) โดยสมบัติของธาตุเอคา – ซิลิคอน ที่เมนเดเลเอฟได้ทำนายไว้มีความใกล้เคียงกับสมบัติของธาตุเจอร์เมเนียมที่ค้นพบอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าเมนเดเลเอฟจะสามารถอธิบายสิ่งต่าง ๆ ในตารางธาตุได้อย่างมากมาย แต่ไม่สามารถอธิบายได้ว่า เพราะเหตุใดจึงต้องจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอม

เฮนรี โมสลีย์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษศึกษาเกี่ยวกับเลขอะตอม และพัฒนากฎพิริออดิกของเมนเดเลเอฟใหม่ว่า “ควรจะจัดเรียงธาตุตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่าง ๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับโปรตอนในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม” นอกจากนี้โมสลีย์ยังได้ทำนายไว้ด้วยว่า ต้องเผื่อช่องว่างในตารางธาตุเพื่อรอการค้นพบธาตุใหม่ในอนาคต ดังนั้น ตารางธาตุที่ใช้กันในปัจจุบันจึงได้รับการปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ โดยการเรียงธาตุตามลำดับของเลขอะตอมจากน้อยไปหามากแทนการเรียงลำดับธาตุตามมวลอะตอม

ตารางธาตุที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ธาตุที่อยู่ในแนวตั้ง เรียกว่า หมู่ (group) แบ่งออกได้ทั้งหมด 18 แถว และธาตุที่อยู่ในแนวนอน เรียกว่า คาบ (periods) แบ่งออกเป็น 7 คาบ ดังนี้

หมู่ (group)

1. แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ ธาตุกลุ่ม A เรียกว่า ธาตุเรพรีเซนเททีฟ (representative element) และธาตุกลุ่ม B เรียกว่า ธาตุแทรนซิชัน (transition element)

2. ตามระบบ IUPAC ธาตุในกลุ่ม A ประกอบด้วยหมู่ 1, 2, 13-18 และธาตุในกลุ่ม B ประกอบด้วยหมู่ 3 – 12

3. ตามระบบของสหรัฐอเมริกา ธาตุในกลุ่ม A ประกอบด้วยหมู่ 1A – 8A และธาตุในกลุ่ม B ประกอบด้วยหมู่ 1B – 8B (โดยเรียงจาก 3B, 4B, 5B, 6B ,7B, 8B, 1B และ 2B ตามลำดับ)

คาบ (periods)

1. คาบที่ 1 มีธาตุ 2 ธาตุ

2. คาบที่ 2 และ 3 มีธาตุคาบละ 8 ธาตุ

3. คาบที่ 4 และ 5 มีธาตุคาบละ 18 ธาตุ

4. คาบที่ 6 มีธาตุทั้งหมด 32 ธาตุ โดยแบ่งเป็นธาตุกลุ่มแรก ซึ่งประกอบด้วยธาตุกลุ่ม A และ B จำนวน 18 ธาตุ และธาตุในกลุ่มธาตุแลนทานอยด์จำนวน 14 ธาตุ

5. คาบที่ 7 มีธาตุทั้งหมด 32 ธาตุ โดยแบ่งเป็นธาตุกลุ่มแรก ซึ่งประกอบด้วยธาตุกลุ่ม A และ B จำนวน 18 ธาตุ และธาตุในกลุ่มธาตุแอกทินอยด์จำนวน 14 ธาตุ

เมื่อพิจารณาตามการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับชั้นพลังงานย่อยของธาตุ จะพบว่า ในระดับชั้นพลังงานย่อยที่มีพลังงานสูงสุดสามารถแบ่งออกได้ ดังนี้

การที่นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาและค้นพบธาตุเพิ่มขึ้นจำนวนมาก โดยที่ไม่ได้มีการกำหนดหลักเกณฑ์ในการตั้งชื่อและสัญลักษณ์ของธาตุที่แน่นอน จึงทำให้ในบางครั้งนักวิทยาศาสตร์ได้เสนอธาตุที่ค้นพบใหม่เป็นธาตุตัวเดียวกัน แต่มีการเรียกชื่อที่ต่างกัน ดังนั้น องค์กรนานาชาติทางเคมี (IUPAC) จึงกำหนดข้อตกลงในการเรียกชื่อธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 100 ขึ้นไป โดยให้อ่านชื่อธาตุตามตัวเลขภาษาละติน ซึ่งลงท้ายเสียงของธาตุด้วยเอียม (-ium) ยกเว้นหมู่ 7A ลงท้ายเสียงของธาตุด้วยซีน (-ine) และหมู่ 8A ให้ลงท้ายเสียงของธาตุด้วยซัน (-on)

ปิตุพร พิมพาเพชร