孟德爾定律問世以後，生物學家以許多其他動植物為材料進行了多方麵的實驗驗證，結果表明孟德爾定律是動、植物界普遍遵循的遺傳規律。許多重要的遺傳學概念都是在1900～1910年間建立起來的。美國細胞學家薩頓於1902～1904年和德國的細胞學家博韋裏都發現，在雌雄配子形成和受精過程中，染色體的行為同孟德爾假設的因子行為是平行的，從而提出孟德爾式的遺傳是以染色體為物質基礎的理論。英國的貝特森於1906年提出了遺傳學這一名詞，而且早在1902年他就提出了“雜合子”、“純合子”、“等位基因”等重要概念。德·弗裏斯則提出“突變”的概念。丹麥生物學家約翰森建立了純係理論，並於1909年提出了“基因”、“基因型”、“表型”等名詞及概念。從1901～1905年美國細胞學家麥克朗、威爾遜和史蒂文斯等證明了動物細胞核有兩種粒子：一種含有副染色體；另一種則不含。認為性別就是由這種額外染色體決定的。威爾遜著的《在發育和遺傳中的細胞》於1896年初版，1900年再版，到1925年第3版時幾乎完全重寫，它對細胞遺傳學的發展起了積極的促進作用。
從1910年到20世紀30年代，主要由於美國遺傳學家摩爾根其學派的科學貢獻，建立起細胞遺傳學，豐富並發展了孟德爾定律。摩爾根與威爾遜是同事和密友。他得到威爾遜從學術到行政各方麵的支持。摩爾根最初並不信服孟德爾定律，這一方麵是出於胚胎學家的偏見，另一方麵也因為他所觀察到的遺傳現象遠較孟德爾定律複雜。但他在細胞學和胚胎學基礎上，用果蠅為材料進行的大量雜交實驗，終於建立起細胞遺傳學或染色體遺傳學。1910年摩爾根發現了果蠅的白眼突變型總是同雄性相聯係的伴性遺傳現象，第一次用實驗證明遺傳白眼的“基因”是坐落在性染色體上的物質。以後他和他的合作者以及其他單位和國家的遺傳學家用果蠅作了大量的係統研究，表明不同的“基因”在遺傳過程中有“連鎖”現象，同源染色體之間有“交換”現象。他們的大量的雜交實驗證明基因在染色體上有固定的位置。通過在顯微鏡下對染色體的觀察和大量實驗數據的計算，找到各種基因在染色體上的相對位置（見連鎖和交換、基因定位）。1915年，摩爾根同他實驗室裏的年輕學者斯特蒂文特、馬勒和布裏奇斯合著的《孟德爾遺傳原理》一書的出版在學術界產生了相當大的影響。1927年馬勒用X射線人工誘發果蠅突變，這是第一個被公認的用人工方法改變基因的最有說服力的事例，開辟了遺傳研究和實際應用的廣闊前景。1933年，其他科學家發現了唾液腺細胞的巨大染色體。其後，布裏奇斯在1938年繪製出近4000個基因的果蠅染色體圖。這些工作對基因論的確立提供了重要依據。
摩爾根於1928年修訂了1926年出版的《基因論》一書，把基因在遺傳學上的地位同原子、電子在物理學和化學上的地位相比，把基因論同物理學和化學的理論相比，說：“隻有當這些理論能幫助我們作出特種數字的和定量的預測時，它們才有存在的價值，這便是基因論同以前許多生物學理論的主要區別。”這段話基本概括了30多年來遺傳學的成就。在結尾的一段話中，他提出了“基因是屬於有機分子一級”的問題，認為“基因之所以穩定是因為它代表著一個有機的化學實體。這是現在人們能夠作出的最簡單的假設，並且這項見解既然符合有關基因穩定性的已知實體，那麼，至少它不失為一個良好的試用假說”。這一預見在以後的科學發展中得到了證實。