1910年，摩根有位學生–英國普利地斯（Joseph Priestley，1866-1945）一次到實驗室無意中發現一隻白眼果蠅（自然突變種），進行一系列實驗後，探究「為什麼白眼果蠅都是雄性？」。

1910年7月，摩根在科學（Science）期刊發表「果蠅的性聯遺傳（Sex limited inheritance in Drosophila）」論文，提出「某特定基因存在於X染色體上（即今之性聯基因- sex linked gene）」，更進一步證實遺傳的染色體學說。同年，摩根等人提出連鎖基因（linked genes）的理論—–不同基因若位於同一條染色體上，則無法獨立分配而彼此連鎖（linkage），即性狀會一起遺傳。但實驗後又發現：「位在同一條染 色體上的不同基因並非完全連鎖」，推論：「可能是同源染色體間有些片段會彼此交換（即今之互換，crossing over），因此子代會出現重組表現型（recombiant phenotypes）。」

1913年，摩根的學生史特曼（Alfred H. Sturtevant）繪出全球第一個基因圖譜（genetic map），列出染色體上基因座（genetic loci）的位置與排列順序。1916年，摩根等人實驗證實染色體互換（chromosomal crossover or crossing over）理論，說明連鎖基因重組（the recombination of linked genes）的原因。

1925年，摩根著作「演化與遺傳（Evolution and Genetics）」。1926年，著作「基因學說（The Theory of the Gene）」–以實驗證明基因是遺傳的基本單位。推論每個染色體上有許多基因，是第一個指出基因與染色體的關聯性之科學家。摩根於哥倫比亞大學創立的果蠅 室（fly room）培養出許多一流的遺傳學家，除了史特曼外還有繆勒(H. J. Muller)，1927年他以X射線誘發果蠅產生突變種，發展出遺傳學的另一片領域；同年，美國史特勒(L.T. Stadler)以X射線誘導玉米突變。