孟德尔定律问世以后，生物学家以许多其他动植物为材料进行了多方面的实验验证，结果表明孟德尔定律是动、植物界普遍遵循的遗传规律。许多重要的遗传学概念都是在1900～1910年间建立起来的。美国细胞学家萨顿于1902～1904年和德国的细胞学家博韦里都发现，在雌雄配子形成和受精过程中，染色体的行为同孟德尔假设的因子行为是平行的，从而提出孟德尔式的遗传是以染色体为物质基础的理论。英国的贝特森于1906年提出了遗传学这一名词，而且早在1902年他就提出了“杂合子”、“纯合子”、“等位基因”等重要概念。德·弗里斯则提出“突变”的概念。丹麦生物学家约翰森建立了纯系理论，并于1909年提出了“基因”、“基因型”、“表型”等名词及概念。从1901～1905年美国细胞学家麦克朗、威尔逊和史蒂文斯等证明了动物细胞核有两种粒子：一种含有副染色体；另一种则不含。认为性别就是由这种额外染色体决定的。威尔逊著的《在发育和遗传中的细胞》于1896年初版，1900年再版，到1925年第3版时几乎完全重写，它对细胞遗传学的发展起了积极的促进作用。
从1910年到20世纪30年代，主要由于美国遗传学家摩尔根其学派的科学贡献，建立起细胞遗传学，丰富并发展了孟德尔定律。摩尔根与威尔逊是同事和密友。他得到威尔逊从学术到行政各方面的支持。摩尔根最初并不信服孟德尔定律，这一方面是出于胚胎学家的偏见，另一方面也因为他所观察到的遗传现象远较孟德尔定律复杂。但他在细胞学和胚胎学基础上，用果蝇为材料进行的大量杂交实验，终于建立起细胞遗传学或染色体遗传学。1910年摩尔根发现了果蝇的白眼突变型总是同雄性相联系的伴性遗传现象，第一次用实验证明遗传白眼的“基因”是坐落在性染色体上的物质。以后他和他的合作者以及其他单位和国家的遗传学家用果蝇作了大量的系统研究，表明不同的“基因”在遗传过程中有“连锁”现象，同源染色体之间有“交换”现象。他们的大量的杂交实验证明基因在染色体上有固定的位置。通过在显微镜下对染色体的观察和大量实验数据的计算，找到各种基因在染色体上的相对位置（见连锁和交换、基因定位）。1915年，摩尔根同他实验室里的年轻学者斯特蒂文特、马勒和布里奇斯合著的《孟德尔遗传原理》一书的出版在学术界产生了相当大的影响。1927年马勒用X射线人工诱发果蝇突变，这是第一个被公认的用人工方法改变基因的最有说服力的事例，开辟了遗传研究和实际应用的广阔前景。1933年，其他科学家发现了唾液腺细胞的巨大染色体。其后，布里奇斯在1938年绘制出近4000个基因的果蝇染色体图。这些工作对基因论的确立提供了重要依据。
摩尔根于1928年修订了1926年出版的《基因论》一书，把基因在遗传学上的地位同原子、电子在物理学和化学上的地位相比，把基因论同物理学和化学的理论相比，说：“只有当这些理论能帮助我们作出特种数字的和定量的预测时，它们才有存在的价值，这便是基因论同以前许多生物学理论的主要区别。”这段话基本概括了30多年来遗传学的成就。在结尾的一段话中，他提出了“基因是属于有机分子一级”的问题，认为“基因之所以稳定是因为它代表着一个有机的化学实体。这是现在人们能够作出的最简单的假设，并且这项见解既然符合有关基因稳定性的已知实体，那么，至少它不失为一个良好的试用假说”。这一预见在以后的科学发展中得到了证实。