ในตารางธาตุนั้น ธาตุต่างๆ จะถูกจัดเรียงให้อยู่ในรูปแบบเชิงตารางอันประกอบด้วยแถวและคอลัมน์ เราเรียกแถวหนึ่งๆ ในตารางธาตุเรียกว่าคาบ (อังกฤษ: period) และเรียกคอลัมน์หนึ่งๆ ในตารางธาตุว่าหมู่ (อังกฤษ: group) การจัดเรียงธาตุในเชิงตารางนี้ทำให้ธาตุที่มีคุณสมบัติทางเคมีใกล้เคียงกันถูกจัดไว้ในหมู่เดียวกัน ธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันจะมีจำนวนชั้นของอิเล็กตรอน (electron shell) เท่ากัน โดยจำนวนของอิเล็กตรอนและโปรตอนของธาตุในคาบเดียวกันนี้จะเพิ่มขึ้นทีละหนึ่ง พร้อมทั้งความเป็นโลหะที่ลดลงจากธาตุหมู่ทางด้านซ้ายมือไปยังขวามือของตารางธาตุ ในขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกจัดเรียงในชั้นใหม่เมื่อชั้นเดิมถูกจัดเรียงจนเต็ม หรือก็คือเริ่มคาบใหม่ในตารางธาตุ การจัดเรียงเช่นนี้ทำให้เกิดการวนซ้ำของธาตุที่มีคุณสมบัติทางเคมีที่ใกล้เคียงกันเมื่อเพิ่มเลขอะตอม ยกตัวอย่างเช่น โลหะอัลคาไลน์ ถูกจัดเรียงอยู่ในหมู่ 1 และมีคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายกัน เช่น ความไวต่อปฏิกิริยาเคมี หรือ มีแนวโน้มในการสูญเสียอิเล็กตรอน 1 ตัวเมื่อทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นเพื่อจัดเรียงอิเล็กตรอนให้มีลักษณะเหมือนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแก๊สเฉื่อย ปัจจุบันตารางธาตุจัดเรียงธาตุไว้ทั้งสิ้น 118 ธาตุ
กลศาสตร์ควอนตัมสมัยใหม่อธิบายการวนซ้ำของคุณสมบัติเคมีของธาตุเหล่านี้โดยใช้ชั้นของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะถูกเติมในชั้นอิเล็กตรอนตามลำดับที่แสดงในแผนภาพด้านขวาตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น การเพิ่มอิเล็กตรอนภายในชั้นเทียบได้กับคาบในตารางธาตุ
ใน s-block และ p-block ของตารางธาตุ ธาตุในคาบเดียวกันไม่แสดงแนวโน้มหรือความคล้ายคลึงในคุณสมบัติเคมี (แนวโน้มของธาตุภายในหมู่เดียวกันชัดเจนกว่า) อย่างไรก็ดี ใน d-block แนวโน้มคุณสมบัติของธาตุภายในคาบเดียวกันเพิ่มความเด่นชัดมากขึ้น และยิ่งเห็นชัดเจนในกลุ่มธาตุใน f-block (โดยเฉพาะกลุ่มของแลนทาไนด์)
ธาตุจะไม่เสถียรเมื่อมีมวลสูงมากๆ ทำให้ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงจะมีโอกาสพบในธรรมชาติได้น้อย ธาตุใน 7 คาบแรกของตารางธาตุสามารถพบได้ในธรรมชาติ อย่างไรก็ดีมีแนวโน้มที่นักเคมีจะสามารถสังเคราะห์ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงเกินคาบที่ 7 ธาตุสังเคราะห์เหล่านี้จะถูกจัดเรียงในคาบที่ 8 ในตารางธาตุขยายหากมีการสังเคราะห์ได้จริง
ธาตุในคาบแรกมีธาตุน้อยกว่าธาตุในคาบอื่นๆ เนื่องด้วยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเท่านั้นที่อยู่ในคาบแรก ก่อนหน้านี้พวกมันไม่ได้อยู่ในกฎออกเตต ในทางเคมี ฮีเลียมเป็นแก๊สมีตระกูล ดังนั้นมันจึงถูกจัดให้อยู่ในหมู่ที่ 18 ถึงอย่างนั้น โครงสร้างนิวเคลียร์ของมัน จะจัดมันให้อยู่ในบล็อก-s และบางครั้งที่ฮีเลียมจะถูกจัดอยู่ในธาตุหมู่ 2 ส่วนไฮโดรเจนสามารถเสียและได้รับอิเล็กตรอนเท่าๆกัน มันจึงสามารถอยู่ในหมู่ที่ 1 หรือ หมู่ที่ 17 ก็ได้
