Hij voerde baanbrekende experimenten uit met fruitvliegen (Drosophila melanogaster) in het begin van de 20e eeuw. Zijn werk toonde het volgende:

* genen zijn gekoppeld: Hij merkte op dat bepaalde eigenschappen samen werden geërfd, wat suggereert dat de genen die verantwoordelijk zijn voor deze eigenschappen zich op hetzelfde chromosoom bevonden.

* Chromosomen wisselen genetisch materiaal uit: Hij ontdekte het oversteken van oversteken, waar homologe chromosomen genetisch materiaal uitwisselen tijdens meiose. Dit legde uit hoe gekoppelde genen soms kunnen worden gescheiden.

* genen bevinden zich op specifieke chromosomen: Morgan's experimenten met fruitvliegen toonden aan dat specifieke eigenschappen konden worden toegewezen aan specifieke chromosomen, wat de locatie van genen op chromosomen bevestigt.

Zijn werk bracht een revolutie teweeg in ons begrip van erfelijkheid en legde de basis voor moderne genetica.