Các nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn dựa trên cấu hình electron của nguyên tử và sự biến đổi tuần hoàn tính chất của các nguyên tố. Cụ thể, có 3 nguyên tắc chính:
Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử (số proton): Đây là nguyên tắc cơ bản nhất. Các nguyên tố được sắp xếp từ trái sang phải và từ trên xuống dưới theo thứ tự số proton tăng dần. Số proton cũng chính là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn.
Các nguyên tố có cùng số lớp electron trong nguyên tử được xếp thành một hàng (chu kì): Các hàng ngang trong bảng tuần hoàn được gọi là chu kì. Số thứ tự của chu kì bằng số lớp electron của nguyên tử các nguyên tố trong chu kì đó. Ví dụ:
Chu kì 1: có 1 lớp electron (ví dụ: H, He)
Chu kì 2: có 2 lớp electron (ví dụ: Li, Be, B, C, N, O, F, Ne)
...
Các nguyên tố có cùng số electron hóa trị trong nguyên tử được sắp xếp thành một cột (nhóm): Các cột dọc trong bảng tuần hoàn được gọi là nhóm. Các nguyên tố trong cùng một nhóm có tính chất hóa học tương tự nhau vì chúng có cấu hình electron lớp ngoài cùng (electron hóa trị) giống nhau. Có hai loại nhóm:
Nhóm A (nhóm nguyên tố s và p): Các nguyên tố nhóm A có electron hóa trị nằm ở phân lớp s hoặc p. Số thứ tự của nhóm (từ IA đến VIIIA) thường bằng số electron hóa trị.
Nhóm B (nhóm nguyên tố d và f): Các nguyên tố nhóm B (nhóm nguyên tố chuyển tiếp) có electron hóa trị nằm ở phân lớp d hoặc f. Số thứ tự của nhóm B được đánh số từ IB đến VIIIB.