1908年，摩爾根開始進行果蠅實驗。不過，他並不是為了研究遺傳因子，而是對荷蘭生物學家德弗裏斯提出了突變論感興趣。德弗裏斯證實了植物遺傳性狀的突變，但還沒有研究動物遺傳性狀的突變。
果蠅是一種蒼蠅是類的小昆蟲，但比蒼蠅小得多。你要是注意觀察的話，會發現，夏天它們常常聚集在水果攤上覓食。人們發現，果蠅是進行遺傳學研究的理想實驗材料，它繁殖快，大約2周就可以生長一代，這樣，人們在短時間內就可以觀察到它許多世代的遺傳情況，更重要的是果蠅隻有4對染色體，便於觀察研究。
摩爾根的“果蠅遺傳實驗室”設備很簡單，幾張舊桌子上擺著幾千隻培育果蠅的瓶子。有一次，摩爾根偶然發現，在一個培養瓶中出現了一隻白眼雄性果蠅，而普通的果蠅都是紅眼睛的。這引起了他的好奇心。
摩爾根讓白眼雄蠅與紅眼雌繩交配，結果生出來的全都是紅眼睛的果蠅。他又讓這些紅眼果蠅相互交配，生出的後代中，又出現了白眼果蠅，而且紅眼蠅與白眼蠅的比例總是3∶1，完全符合孟德爾的遺傳定律。
事實使摩爾根不得不對孟德爾的學說刮目相看，他從一個對孟德爾學說持懷疑態度的人，變成了一個熱衷於孟德爾學說的人。
在果蠅實驗中，摩爾根還發現了一個令人奇怪的現象，那就是幾乎所有的白眼果蠅都是雄性的，也即白眼的遺傳特征總是伴隨著雄性個體遺傳，這究竟是什麼原因呢？摩爾根抓住這一現象窮追不舍，終於用基因和染色體遺傳學說成功地解釋了伴性遺傳現象。
原來，果蠅的4對染色體中，有一對是決定雌雄性別的性染色體，雌果蠅的兩條性染色體形態一樣，叫XX染色體，雄果蠅的兩條性染色體形態不一樣，一大一小，叫XY染色體。白眼基因就載在X染色體上，Y染色體上沒有它的等位基因。當雌雄果蠅交配時，紅眼基因與白眼基因組合在一起時，總是表現為紅眼，因為紅眼基因是顯性基因。在子二代中，隻有當載有白眼基因的X染色體與Y染色體結合時，由於Y染色體沒有它的等位基因，才會表現出白眼來，而X和Y染色體結合，出來的都是雄果蠅。
摩爾根和他的學生發現，還有一些遺傳性狀也像這樣總是在一起遺傳，他們把這種現象叫做基因連鎖。而基因連鎖群的數目，恰恰與染色體的數目相同。如果蠅有4對染色體，它的基因連鎖群正好有4個。這就表明，這些基因位於同一條染色體上，就像坐在同一輛車上的旅客總是一起旅行一樣，幾個基因位於同一染色體上時，它們決定的性狀總是一起遺傳，隻有位於不同染色體上的基因才可以自由結合，這就是摩爾根發現的基因連鎖定律。
摩爾根是一位具有民主作風的科學家。他招收了幾個熱情、有才華的大學生到他的實驗室工作，果蠅室充滿了民主的學術空氣，從而使新思想、新成果不斷出現。摩爾根的學生斯特蒂文特發現，基因連鎖群並不是鐵板一塊，有時也會被打亂，這是因為精卵結合時，染色體可能會發生斷裂和部分交換，兩個基因在染色體上的距離越遠，交換的頻率也就越大。這就是遺傳學的交換定律。根據遺傳特性的相互關係和不同基因的交換率，可以推斷出各種基因在染色體上的排列位置。據此，他們成功地繪出了果蠅的基因排列圖。這也是世界上第一張基因在染色體上的排列圖。
1915年，摩爾根和他的學生出版了《孟德爾遺傳的原理》，1919年出版了《遺傳的物質基礎》，1926年出版了《基因論》。