摩尔根的实验研究从果蝇开始入手。他在试验室中养了一只白眼雄果蝇，让它和一只红眼雌果蝇进行，结果发现下一代果蝇中产生的全是红眼的。这使他极为惊奇，也引起了他继续研究的兴趣。后来在白眼雌果蝇与正常雄果蝇的实验中，他却发现其后代中的雄果蝇红眼与白眼参半，而雌果蝇中却没有白眼，全部是正常的红眼睛。
这到底是什么原因呢？经过试验研究，1911年摩尔根从中找出了答案：代表生物遗传秘密的基因的确存在于生殖细胞的染色体上，且基因在每条染色体内是直线排列的，染色体可以自由组合，而排在一条染色体上的基因是不能自由组合的。这就是他“染色体遗传理论”的重要内容。
果蝇的研究给摩尔根带来了如此巨大的成功，以致后来有人说这种果蝇是上帝专门为摩尔根创造的。因此，他于1933年获得了诺贝尔生理和医学奖。
摩尔根不仅在遗传基因领域做出了突出贡献，在胚胎学的研究上亦是功不可没的。在研究当中，他摒弃了当时极为流行的单纯依靠描述性解剖学的研究方法，竭力敦促人们运用定量分析和实验的研究方法。由此在遗传学和胚胎学领域实行了一次研究方法的科学转换，此时生物学向着更精密更科学的方向发展。
善于运用同事和学生的思想成果的摩尔根，从不将成果据为己有。当获得诺贝尔奖时，他提出要同终身助手和同事c·b·布里委斯及a·h·斯图尔提万特分享，这种独特的个性和民主不拘礼仪的工作方式，得到了很多人的赞扬。
摩尔根尽管工作很忙，甚至在哥伦比亚大学的24年中只休过一个年假。但颇为有趣的是他依然不失为一个好丈夫，一个很有家庭观念的人，即使工作再忙，他也会每天抽出一点时间与妻子、孩子在一起。1945年，在胚胎学、遗传学、细胞学和进化论的广阔领域里漫游了一生的摩尔根，在加利福尼亚的帕萨迪纳去世。
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