Sens fizyczny układu okresowego thumb|Odrestaurowany układ okresowy z czasów Mendelejewa na ścianie Audytorium Chemicznego Politechniki Gdańskiej Prawo okresowości Mendelejewa, stanowiące podstawę teoretyczną układu, wynika z faktu, że liczba atomowa określa nie tylko liczbę protonów, występujących w jądrze atomów, ale też liczbę elektronów atomów w stanie obojętnym, która ma decydujący wpływ na ich właściwości chemiczne.
Elektrony w atomach są umiejscowione na kolejnych powłokach, które mają określoną pojemność, czyli maksymalną liczbę elektronów, jaka może się zmieścić na powłoce. Kolejne powłoki są zajmowane przez elektrony dopiero po całkowitym zapełnieniu powłok leżących poniżej (o mniejszej energii). Zjawisko „zapełniania” powłok wynika z zakazu Pauliego, który w stosunku do atomów stwierdza, że na jednym orbitalu mogą znajdować się najwyżej dwa elektrony różniące się spinem. Elektrony na ostatniej, najbardziej zewnętrznej powłoce, nazywanej powłoką walencyjną, są najsłabiej związane z atomem i mogą odrywać się od niego podczas tworzenia wiązań chemicznych. Powłoka ta może przyjmować też dodatkowe elektrony, a ich energia wiązania ma kluczowe znaczenie przy powstawaniu związków chemicznych.