孟德尔学说的一个核心概念是“遗传因子”。由于有遗传因子的遗传作用，生物在进化过程中就不是连续地变异，而是不连续地变异，这与达尔文的连续变异的进化思想是不同的。也正因如此，孟德尔虽然被发现了，一开始并没有得到普遍的理解。特别是在英国，达尔文的影响比较大，对孟德尔的抵触更多。幸亏贝特森反复用杂交实验证实孟德尔的理论，人们才逐步接受了遗传的事实。
如果孟德尔的理论是正确的，那么他所谓的“遗传因子”究竟在细胞中的什么地方呢？当时关于细胞的生物化学研究已经有一定的深度。1879年，德国解剖学家弗莱明运用染色的方法观察细胞，发现细胞中的有些部分能吸收某些染料，有些则不吸收。在细胞核中，有一些物质大量吸收他当时所用的碱性苯胺染料，他便称这些物质为染色质。1882年，弗莱明在观察细胞分裂的过程中，发现染色质扮演一个十分特殊的角色。分裂一开始，染色质缩成短短的线状体（后来被称为染色体）。在分裂的过程中，染色体数目增加一倍。分裂完毕后，两个子细胞各分得与母细胞相同数目的染色质。由于当时他不知道孟德尔的工作，所以也未深究染色体在遗传学上的意义。
孟德尔被发现之后，人们马上想到染色体可能就是遗传因子。1904年，美国生物学家萨顿证明了染色体总是成对存在的，而每个性细胞只具有每一对染色体中的一个，这就指明了染色体与孟德尔遗传因子的平行性。但是，染色体数目很少，如豌豆只有7对，人也只有23对，但遗传特征却是多样的，因此，萨顿猜想，每条染色体上带有多个遗传因子。1906年，贝特森发现，豌豆的某些特征确实总是与另一些特征一起遗传，这就说明萨顿的猜想是有道理的。1909年，丹麦植物学家约翰逊提议用原意为“发生”的希腊语“基因”一词代替孟德尔的“遗传因子”，这个建议被采纳。
染色体显然不是“基因”，但可以肯定基因就存在于染色体内。它们是如何排列的呢？这个问题的深入研究留给了美国生物学家摩尔根。摩尔根青年时代是一位博物学家，后来才转向实验生物学。起初他对孟德尔理论和染色体学说不太相信，认为缺少实验证据。1908年，他读到德弗里斯的《突变论》一书，受到了很大的震动。此后，他亲自动手做有关遗传问题的实验，结果使他越来越相信染色体确实是遗传物质的载体，特别是决定性别的唯一因素。
1909年，摩尔根开始用果蝇做遗传学实验。后来证明，用果蝇做实验是十分有利的，因为它们的生命周期只有10到14天，又易于饲养，而且染色体不多，只有4对，很适合做实验分析。1910年，他在一群红眼果蝇中发现了一只白眼雄果蝇。当他用这只白眼果蝇同这些红眼果蝇交配时，发现第二代白眼果蝇全都是雄性的。这就说明，决定白眼的基因与决定性别的基因是联系在一起的。由于实验已经证明性别是由染色体决定的，因此，白眼基因也一定在染色体上。这是染色体作为基因载体所获得的第一个实验证据。
更进一步的实验表明，一条染色体上可以有许多个基因。摩尔根和他的学生们经过十多年的努力，终于建立了基因遗传学说。他们认为染色体是基因的物质载体，基因在染色体上做直线排列；不同染色体上的基因可以自由组合，同一染色体上的基因遵守连锁遗传定律，不能自由组合。连锁遗传定律的建立是对孟德尔遗传学的新贡献。
摩尔根还发明了测定基因相对位置的方法，给出了第一个果蝇染色体的连锁图，即确定了每一特定性状的基因在染色体上的位置，从而确立了基因作为遗传基本单位的概念。1915年，摩尔根和他的合作者们出版了《孟德尔遗传学原理》。1919年和1926年又相继出版了《遗传的物质基础》和《基因论》，建立了完整的基因遗传理论体系，将孟德尔的性状遗传学推进到细胞遗传学的新阶段。摩尔根因此而获1933年的诺贝尔生理学或医学奖。
基因遗传理论虽然确立了，但基因究竟是不是一种物质实体尚不清楚。摩尔根本人倾向于基因“代表一个有机的化学实体”的看法。他在《基因论》中说：“像化学和物理学家假设看不见的原子和电子一样，遗传学家也假设了看不见的要素——基因。三者主要的共同点，在于物理化学家和遗传学家都根据数据得出各人的结论。只有当这些理论能帮助我们做出特种数字的和定量的预测时，它们才有存在的价值。”显然，他相信基因与原子和电子一样，虽然看不见但都是一种物质实体。确定基因的物质性，需要等到生物化学发展到一定程度之后才有可能。
