研究中，摩尔根结识了长他十岁的另一位胚胎学家威尔逊，并成为科研知己。1891年秋，摩尔根加入约翰·霍普金斯大学的姐妹学校布林莫尔学院，接替威尔逊担任生物学副教授，而威尔逊则转到哥伦比亚大学。摩尔根是一位天生的老师，他讲授的形态学课程获得学生的一致好评。

当然，摩尔根的心思主要还是在科研上面。1894年，摩尔根申请到了为期一年的学术休假，得以到意大利那不勒斯动物学院开展研究。在那里，摩尔根结识了德国胚胎学家杜里舒，开启了胚胎学研究的新征程。关于胚胎发育问题，当时存在诸多争论，神创论已被摈弃，预定论和镶嵌论的观点较为盛行，即认为受精卵已是完整小个体，发育就是小个体逐渐变大的过程。这些理论的核心是“先天决定”，而杜里舒等人则持有“后天影响”的看法，认为环境在当中发挥着至关重要的作用。摩尔根比较认可杜里舒的观点，决定用实验进行验证。

摩尔根与杜里舒合作，采用海胆和草鱼的卵裂球分离实验证明，双细胞期受精卵均等分割后的每一部分都可再发育出一个完整个体，而四细胞期胚胎分割出的四个部分可发育出四个个体。这一发现有力地反驳了预定论和镶嵌论观点（他们认为在上述实验中会发育出1/2或1/4的身体）。摩尔根还发现，未受精的海胆卵可在外加特定物质的情况下诱导出细胞分裂，其他科学家在此基础上进一步发现未受精的青蛙卵不仅可以分裂，而且可以最终发育出完整的青蛙，从而人工培育出第一个“无父青蛙”。

1895年，摩尔根回到美国并升任正教授。此时，他的研究兴趣已经转为幼虫发育。他试图区分外部原因和内部原因对发育的影响，并于1897年出版了第一部专著《青蛙卵的发育》。随后，摩尔根开始关注蝌蚪、鱼和蚯蚓等生物成年后的再生能力，于1901年出版了第二部专著《再生》。摩尔根还对生命进化有一定涉猎，于1903年出版了第三部巨著《进化与适应》。他接受进化过程，认可物种是在变化之中的，但并不完全认可达尔文提出的自然选择理论，即连续的微小变异可被选择并遗传。此时，摩尔根秉持的观点是：环境引起的后天效应对个体发育和物种进化都发挥着至关重要的作用。