摩尔根在发现白眼果蝇的基础上又找到一系列的果蝇突变，然后对这些果蝇采用不同方式交配实验来研究这些突变的遗传规律。随着研究的深入，摩尔根发现孟德尔在豌豆中得到的规律同样适合于果蝇遗传，因此逐渐从试图推翻孟德尔定律转变为孟德尔最坚实的信徒。

如果仅停留在验证阶段，那么摩尔根将和德弗里斯等人一样只能算作著名的遗传学家，他更大的贡献在于将孟德尔理论进行了重大拓展。不久，摩尔根又发现了一种小翅突变果蝇，并最终也将突变基因定位于X染色体，现在已有两个基因与性别相关。摩尔根推测，既然两个基因位于同一染色体，那么它们在遗传过程中应该形影不离，但结果却并非如此——虽然大部分情况下二者同时出现，但少部分仍有分开现象发生，这一现象无法用孟德尔定律来解释。

经过深思熟虑后，摩尔根最终提出了连锁交换定律来解释这种现象，即同条染色体上不同基因之间既有连锁关系（协同遗传），又有交换关系（独立遗传）。这一发现极大地丰富和补充了孟德尔的遗传学成果，被称为遗传学第三定律。

摩尔根还进一步发现基因间的交换频率与它们的距离成正比，距离越大，交换越频繁。基于这一现象，摩尔根根据果蝇后代表型来确定基因定位于何种染色体，并计算出基因间距——后人为了纪念他而用“摩尔根”一词作为基因间距单位。1913年，摩尔根的学生斯特蒂文特绘制出第一张果蝇的基因图谱，奠定了现代遗传学基础。1915年，摩尔根和学生出版遗传学里程碑意义的巨著《孟德尔遗传学机制》，这本专著将世人对遗传学的认识和理解提升到一个新高度。摩尔根在染色体理论研究过程中展示出的想象力堪比伽利略和牛顿。

1933年，摩尔根凭“染色体在遗传中的作用”的发现荣获诺贝尔生理学或医学奖，这也是遗传学研究获得的第一项诺贝尔奖，标志着遗传学正式进入医学殿堂，成为推动医学发展的重要原动力。