後來，科學家們發現，一個性狀對另一個性狀呈顯性是常見的，但不是絕對的現象。某些情況下有“不完全顯性”，即子一代雜種是兩個親體的中間類型。例如，開深紅花的金魚草植株與開白花的植株雜交，產生的子一代雜種的花都呈粉紅色。產生這種結果的原因很簡單，因為粉紅色花的紅色素比深紅色花的紅色素要少，而白花中則一點紅色素也沒有。雙親的某個性狀都出現在子一代中的例子也很多，這稱為“共顯性”。例如，一個人從雙親那裏繼承了A型和B型血型，從而同時表現出A和B的血型。A和B兩種血型特有的物質（抗原）同時存在於這個人的血液中。
孟德爾種下了子一代雜種結出的種子，等它長成植株後使其自花授粉。在飽滿種子和皺縮種子兩種植株雜交的子二代植株上結出的同一莢果內同時出現了飽滿和皺縮兩種種子。他統計了這些種子的數目，其中有5474顆是飽滿的，1850顆是皺縮的，這個比值是296∶1，非常接近於3∶1。於是孟德爾又繼續做了其他的雜交實驗，結果都得出同樣的比值，在每一次試驗中，子二代出現的顯性性狀通常是隱性性狀的3倍。
孟德爾接著準備研究子二代的飽滿種子和皺縮種子是否真實遺傳的問題。他又在試驗地上播種了子二代種子，等長成植株後對它們進行自花授粉。結果，皺縮種子長成的植株自花授粉後隻產生皺縮的豌豆。但是，飽滿種子的情況則十分不同。盡管從外表上看它們很難區分，但這些飽滿種子卻有兩種類型：其中1/3的種子，種植後長成的植株隻產生飽滿種子；其他2/3長成的植株產生飽滿和皺縮的種子，比值為3∶1。這說明1/3的飽滿種子（或者說子二代全部種子的1/4），是真實遺傳的，其餘2/3（或者子二代全部種的一半）像子一代雜種，它們長成的植株結出飽滿和皺縮種子的比例為3∶1。孟德爾又用其他性狀做這個實驗，其結果都完全相同。在每個試驗中表現出隱性性狀的子二代植株是真實遺傳的，它們的種子所產生的子三代植株與親本是完全相同的。但是，表現出顯性性狀的植株卻有兩類：1/3是真實遺傳的，另外2/3產生的子三代中，顯性和隱性性狀的比例為3∶1。也就是說，子代性狀產生了分離現象，而且這種分離還遵循著一定的規律。
以上所談到的孟德爾的實驗都是涉及單個性狀二者擇一的表達。如果同時考慮兩個性狀將會有怎樣的結果呢？孟德爾繼續用豌豆做他的實驗。他用種子飽滿而呈黃色的豌豆植株與種子皺縮而呈綠色的植株進行雜交。結果如預期的那樣，子一代（F1代）的所有豌豆都是飽滿和黃色的，再用子一代的植株（都是飽滿和黃色的）進行雜交，在子二代即“孫子”代中，出現了令人感興趣的結果。對他的實驗結果，孟德爾曾考慮到有兩種可能：第一種可能是來自親體的性狀將一起傳遞；第二種可能是這些性狀將彼此獨立地遺傳。孟德爾以他特有的洞察力從這些可能的選擇中作出了他的預測。如果第一種可能是正確的，即來自親體的性狀一起遺傳，那麼子二代隻有兩種種子：飽滿－黃色和皺縮－綠色，根據單性狀遺傳的規律，它們的比例將是3∶1。如果第二種可能是正確的，即性狀獨立遺傳，那麼將有四種種子：飽滿－黃色（兩種顯性性狀）、飽滿－綠色（顯性－隱性）、皺縮－黃色（隱性－顯性）、皺縮－綠色（兩種隱性性狀），它們的比例將是9∶3∶3∶1，孟德爾從他的實驗地中發現他的子二代豌豆確實有四種類型：其中314顆是飽滿－黃色，108顆是飽滿－綠色，101顆是皺縮－黃色，32顆是皺縮－綠色。這個結果非常接近他所預計的9∶3∶3∶1的比例，因此孟德爾斷定，植物的不同性狀是獨立地傳遞的。
孟德爾在解釋他的豌豆實驗時，他引用了一個新的生物學概念叫“因子”，他把生物的相對性狀歸根於因子所決定，這些因子就是現在所說的基因。這些基因可通過配子從親代傳遞給子代。孟德爾在兩種性狀的各種組合中證實了獨立遺傳規律。他在親體同時有三個不同性狀的實驗中也證實了這個定律，這個實驗稱為“三因子雜交”。
考慮兩棵豌豆植株間進行雜交，其中母體的植株是飽滿－黃色－紫花，而父體的植株是皺縮－綠色－白花。那麼，他們的子一代雜種就是三基因雜合體，由於顯性的作用，它結飽滿－黃色種子並開紫花。如果這三對基因自由組合，那麼三雜合體植株將以相同的概率產生8種配子，來自兩個親體的8種配子之間隨機結合，將有27種遺傳性狀組成。因為顯性的作用，這27種遺傳性狀組成將減少到8種植株，它們之間預期的比例如下：27飽－黃－紫；9飽－黃－白，9飽－綠－紫；9皺－黃－紫；3飽－綠－白，3皺－黃－白；3皺－綠－紫；1皺－綠－白。孟德爾在實驗中所得到的數據的比例與這個比例完全相符。