1900年剛剛發現孟德爾的文章，科學界立即提出孟德爾的定律可不可靠的問題。如果可靠，那麼，這些定律的適用範圍有多大？摩爾根起初很相信這些定律，因為它們是建立在堅實的實驗基礎上的。1903年，他在《進化與適應》一書中寫道，「近年的研究結果說明，孟德爾的實驗結果意義重大，適用範圍廣泛……孟德爾對他的結果所作的理論闡述簡單明了、他無疑找到了正確的解釋。」
但後來，許多問題使摩爾根越來越懷疑孟德爾的理論，他懷疑雜種身上的基因是不是獨立存在，是不是自由組合。他之所以對孟德爾的學說變得不滿，原因之一是他為了證實孟德爾定律而親自做了實驗。比如，他用白腹黃側的家鼠與野生型雜交，得到的結果五花八門，這表明生殖細胞帶有其他顏色的基因。
因為他自己不能證實孟德爾的發現，到1909年他已十分堅信孟德爾得到的榮譽超過了實際的貢獻。那年，在美國育種協會（這是最先明確表示承認孟德爾定律正確的團體）的一次著名會議上、他發起了一場近乎尖刻的攻擊，使與會者大感意外。他的矛頭如果不是對準孟德爾本人，至少也是針對那些全心全意接受孟德爾的觀點的人的。
「當今，在解釋孟德爾學說的過程中，一些事實很快被轉換成『因子』。如果一個因子不能解釋事實，那就找來兩個因子；如果兩個仍然不夠，就造出三個因子來。為了解釋實驗結果，有時得乞靈於這種超級戲法。要是我們過分輕信，就會受到矇騙，覺得實驗結果得到了圓滿解釋；殊不知人們想出這些解釋，其目的只不過是為了解釋實驗結果。我們從事實倒退到『因子』，然後叫一聲『變』，又由這臆造出來的因子來解釋事實。……首先，認為配子中的遺傳因子是獨立存在的，這樣一種設想純粹是一種先成論的觀點。……遵從漸成論雖然費勁，但我相信它卻有一大優點：它為進一步實驗和再實驗敞開了大門。科學的發展常常是以這種方式進行的。……這兒有一個非常重要的問題：卵子不需要含有成體的『性狀』，精子也不需要。卵子和精子都含有某種特殊的物質，在發育過程中將會以某種人們尚未認識的方法產生出成體的性狀。」
1904年至1910年間，摩爾根逐漸形成了他自己的用以解釋雜種行為的「交替顯性」理論。
「我認為，關於兩個相對性狀的條件，我們不妨設想為相對穩定性狀的結果……在同樣一個個體中，顯性性狀可能出現，隱性性狀也可能出現。例如，深褐色家鼠和黑色家鼠雜交會得出孟德爾式的結果，但我有一些家鼠後代軀體前面是黑色，後面是深褐色。又如，黑眼和粉紅眼是孟德爾相對性狀，然而我有三隻家鼠，它們的眼睛全都是一隻黑的。另一隻粉紅的。我推想，局部的條作決定著這些雜合體有時表現出顯性性狀，有時表現出隱性性狀，而且我能拿出證據證明這樣的實驗結果不是單位性狀（基因）的分離。」
雖然孟德爾的理論對摩爾根正失去原有的魅力，但與此同時，突變論卻越來越使他感到滿意。1900年摩爾根到過歐洲，特別訪問了荷蘭的希爾弗瑟姆。植物學家雨果·德弗裡斯就是在這個城市偶然發現了孟德爾的論文。他在1886年發現自己住宅近旁長著一些月見草。它們具有一個突出的特點：可以產生能純一傳代的新類型。德弗裡斯稱之為「突變」。他後來從總共5個植株中獲得了約800個突變體，分為7種類型。德弗裡斯想：既然月見草能夠突然產生新類型，甚至新物種，這或許就是產生新物種的普遍方式的明顯例子。
德弗裡斯把突變解釋為某種特殊物質單位的變異，到1915年，這種物質單位被認為是一種有機化學分子，至少摩爾根是這樣看的。他說，「很難拒不接受這個誘人的設想：基因之所以穩定不變是因為它代表著一個有機化學統一體。」
顯而易見，如果經常發生的大量的突變能夠自發產生新的種族或物種，那麼，生物界的多樣性就不需要其他理論來解釋了。但是，在那個時代，至少有三種理論在廣為傳播。最古老的理論是神創論，說一切物種都是上帝在公元前4004年用6天時間造出來的。這一理論當時已受到達爾文支持者的猛烈抨擊。
達爾文的進化論體現在他1859年發表的《物種起源》一書中。這本書第一版印刷1250冊，在出版的當天就被搶購一空。他在書中寫道：「我看到一切生物不是特別的創造物，而是遠在寒武系第一層尚未沉積下來以前就生活著的某些少數生物的直系後代……」
下面是《物種起源》中一段精彩的描述。
「思索一下一個樹木交錯的岸，在它上面有許多種類的無數植物覆蓋著，鳥類在灌木叢裡歌唱，各種不同的昆蟲飛來飛去，蚯蚓在潮溼的泥土裡爬過，並且默想一下這些構造精巧的類型，彼此是這樣地相異，並以這樣複雜的方式彼此相互依存，而它們都是由於在我們周圍發生作用的法則產生出來的，這樣的思索和默想是很有趣的。這些法則，就最廣泛的意義來說，就是伴隨著『生殖』的『生長』；幾乎包含在生殖以內的『遺傳』；由於生活條件之間接的和直接的作用以及由於使用和不使用的」變異性』：足以導致『生存鬥爭』、因而導致『自然選擇』、並且引起『性狀分歧』和較少改進的類型『絕滅』的那樣程度的高度增加率。這樣，從自然的戰爭裡，從饑荒和死亡裡，我們能夠體會到的最可讚美的對象，即高級動物的產生，便直接隨之而至。認為生物及其若干能力原來是由『造物主』吹入到少數類型或一個類型中去的，並且認為在這個行星按照引力的既定法則繼續運行的時候，最美麗的和最奇異的無限類型從如此簡單的開始，過去曾經發生了而且現今還在發生著，這種觀點是極其壯麗的。」
達爾文發現生物界的進化，是在1831年至1836年他隨「比格爾」號輪船環遊世界的五年中發生的。這次航行使他收集到大量植物、動物和化石標本。不過，認識到進化這種現象是一回事，要解釋進化如何發生卻完全是另一回事。只是在讀了託馬斯·馬爾薩斯的《人口論》之後，達爾文才得到了部分的解釋。他說：「這是馬爾薩斯的學說，以數倍的力量在整個的動物界和植物界的應用；因為在這種情形下，既不能人為地來增加食物，也沒有謹慎的方法以限制婚姻。」一旦產生的後代在數量上超過了限度，唯有最能適應環境的個體才能在這場不可避免的爭奪食物的鬥爭中生存下去。
不過，達爾文又遇到了另一個難題：他知道，長頸鹿由於頸較長而能獲得更多的食物，所以也更適於生存，但他弄不明白，生下的小長頸鹿何以有比父母更長的脖頸，有了更長的脖頸又如何能在種族中代代相傳。達爾文是相信融合遺傳的，但融合遺傳的結果，後代表現的性狀理應在雙親之間。那麼，這種動物的頸怎會越變越長呢？
為了回答這一問題，達爾文無可奈何地接受了第三種理論的部分觀點，即拉馬克的「獲得性遺傳說」。1809年，讓.巴蒂斯特·拉馬克就提出，父母后天形成的具體技能、習慣和驅體結構可以傳遞給子女。雖然達爾文說，「老天爺不容我相信拉馬克的『進步的趨勢』、『動物的慢性意志產生適應』等等邪說異端!」但他事實上已經接受了拉馬克的意見。他的日記裡曾有記載，一位叫弗萊明·詹金的工程師指出，從數學理論上看，融合遺傳與自然選擇的緩慢進程是水上不相容的，因為，按融合遺傳的理論，每經過一個世代，遺傳的差異就減掉一半。達爾文沒有其它辦法解釋長頸鹿為何長頸，只好認定長頸鹿把脖頸伸長了，並將這一特點傳給了後代。
以上這些就是當時世界上到處都在辯論的問題。在霍普金斯大學、布林莫爾學院、哥倫比亞大學和伍茲霍爾，摩爾根都是進化論的擁護者。一天，吃過晚飯後，在一個夏季實驗室裡，摩爾根從前的老師布魯克斯就遺傳問題議論開了。威爾遜提高嗓門說：「布魯克斯，我弄不清你講這些理論的邏輯關係。」
布魯克斯霍地站了起來，把嚼爛了的菸草沫，噴到走廊的欄杆上。他回敬道：「威爾遜，我料你也弄不清，你要想出個名堂，夠你費好久的腦筋呢！』
不過，據摩爾根和威爾遜看來，布魯克斯的思想近乎浪漫，這可不是解決進化論問題的辦法。解決有關進化論的問題，必須通過實驗，這是摩爾根決定採用的方法。他信奉赫胥黎、洛布和歐洲經驗主義理論家的機械主義哲學。1903年，朱爾斯·龐加萊對機械主義作過有力的闡述，他說：「實驗是真理的唯一泉源，只有實驗能使我們學得新的東西，只有實驗才能使我們深信不疑。」
摩爾根認定可以通過實驗研究卵如何發育成生物成體。同時他又認為，為了駁倒拉馬克的獲得性遺傳說和達爾文的目然選擇說（不久後他又在思考如何否定孟德爾的學說了），也必須通過實驗進行研究。他寫了五本關於進化的書，在第一本書《進化與適應》裡，他對自己在這一時期的哲學觀點有過細緻但略嫌紊亂的表述。這本書發表於1903年，扉頁上寫著「獻給威廉·基思·布魯克斯教授，以表敬佩之忱。」摩爾根寫的書只有三本是題獻給別人的，另外兩本，一本獻給他母親，一本獻給威爾遜。在《進化與適應》的第463頁上，他提到了布魯克斯，稍微帶點否定的意思。在這本總共470頁的著作中，大部分表現出他對布魯克斯最津津樂道的達爾文進化論的厭惡。
《進化與適應》一書主要是評述達爾文進化論所舉的例證，不過，其中也討論了拉馬克、德弗裡斯和孟德爾的理論。該書的結論是：達爾文和拉馬克是錯誤的，德弗裡斯和孟德爾是正確的。例如，摩爾根不同意達爾文所講的生存競爭。他說：「當食物消耗殆盡時，還有幾百萬細菌生存著，於是它們一道進入保護性的休眠狀態。」剛剛拜訪了德弗裡斯回來，他就宣稱：「我認為，我們開始從新的角度來觀察進化過程的時候已經到來。大自然創造新物種是突發性的。在這些新物種中，有一些能夠找到它們得以繼續生存的地方有些新類型可能很適應某些地域，就在那裡興旺發達起來；有些只能勉強存活下去，因為它們找不到最適合它們的地方，又不能充分適應目前的生活條件；還有一些根本找不到可以發育的地方，甚至沒法開始發育。從這個觀點看問題，進化的過程會顯得溫和些，不像我們想像的只有消滅了一切對手才能成為成功者。進化過程似乎並不是一定要消滅大量生物，因為不大適應的生物連開始發育也還未能做到。進化並不是一場誰都以消滅一切異己為己任的大混戰，而主要表現為創造出新類型來填補自然界中空著的空間或生物密度不大的空間。」
在以後三十年左右時間內，摩爾根漸漸接受了進化論和自然選擇，但他數學基礎差仍然是個問題，他一生中雖然最終也承認了霍爾丹、費希爾、賴特等人在數學方面的貢獻，但他仍然堅持對進化論的研究必須用實驗方法。
另一個問題是，他像大多數人一樣、覺得很難承認小小的偶然事件可以造成巨大的發展，尤其是當他不能看見發展的各個階段的時候。他之所以轉變了看法，部分原因是受了他在哥倫比亞大學的學生們（不久後成了他的同事們）的影響。他們不斷地為達爾文辯護。拿H.J．馬勒的話來說,「達爾文的自然選擇理論無疑是各個時代中最革命的理論。」「達爾文對生物進化的各種證據所作的精彩歸納……至今仍是人類思想史上無人超越的智慧的豐碑。」摩爾根從來就是更信服具體的證據，而不折服於什麼智慧的豐碑。因此，對於他，這一問題很可能是到1922年6月22日參觀牛津大學時才解決的。朱利安.赫胥黎安排動物學系拿出幾種昆蟲的有代表性的表示適應色的標本，其中包括波爾頓收集的那套漂亮的關於昆蟲擬態的蝴蝶標本。這些標本除自然選擇外別無其它解釋。赫胥黎這樣敘述摩爾根的反應：「我回去請他吃午飯時，拉也拉不動他。『真想不到！我原來的確不知道世界上還有這種現象！』」幾年以後，赫胥黎對美國哲學會這樣回憶了當時的情景，他總結說：我榮幸地認為，就是在這個時刻，他轉變了，相信生物的適應性變化，相信自然選擇的結果形成生物的適應性。」
摩爾根寫的關於進化論的書一本不同一本，這表示他雖不心甘情願，但畢竟逐漸按達爾文的思想方法接受了進化論。不過，即使在他就進化問題寫的最後一本著作中，他雖然承認了達爾文進化論的主要論點（但不像有些博物學家那樣急於應用））但仍然有許多保留。他寫道：
自然選擇理論似乎認為，通過在群體中選擇性狀更趨特別的個體，下一代就會朝著這一方向前進。現在大家已經知道，這種看法是站不住腳的。無論是引起一部分初始變異的遺傳因子，還是環境因子，它們都不能推動這種進步。沒有這種基本條件，則自然選擇是無力產生進化的。反之，如果產生了變異（這是由於遺傳因子超越了原來的界限，即發生了突變），那麼，這些變異就為自然選擇提供了向前演化的物質基礎。這並不意味著自然選擇本身是出現新類型的原因，這些新類型中
有的具有生存的價值，只是由於消滅了不太適應的類型而給適應的類型留出了生存空間。假如歷史上出現過的一切新的突變類型都生存下來並留下後代，那麼，我們今天就會看到地球上生活著現今實際存在的一切種類的動、植物和無數其他類型。這樣考慮問題，我們就不難看出，即使沒有自然選擇，進化同樣可以發生。（載《進化之科學原理》，第130-131頁）對於摩爾根之皈依進化論，至少赫胥黎是感到滿意的。他十分高興地把自己1942年出版的《進化:現代合成》獻給了「T.H.摩爾根——對生物學的發展有多方面貢獻的科學家」。
摩爾根既是遺傳學家，又是胚胎學家。對此，他在20世紀最初幾年就有清楚的認識。後來，他在《進化之科學原理》一書中重申，要證明生物進化，必須通過胚胎學而不是古生物學研究。摩爾根的成就，以作為一個胚胎學家開始，也以一名胚胎學家結束——至少這是他自己的見解。離開了布林莫爾學院，來到哥倫比亞大學，他繼續胚胎學問題的實驗。這一段工作，有很多總結在1907年出版的《實驗動物學》一書中。其基本內容是：
他報導了通過加氨、加前列腺液，加鹽刺激海星精子的實驗；他報導了海膽種間雜交的實驗結果，證明雜種的存活受季節和水溫的影響。他一如既往，熱衷於證明漸成說，所以儘量貶低人們認為的細胞核及其染色體的主導作用。他說：「大多數胚胎學家似乎傾向於把什麼效果完全歸因於細胞核，相信細胞核控制著原生質內的一切變化。我本人則相反，我傾向於認為，『這種影響的根源在於細胞核』之類的見解還不是定論，這種影響也可能來源於和精子結合在一起與卵細胞結合的原生質。」他引證德裡施的研究結果：胚胎的卵裂及其速度以及胚胎的早期發育都表現出卵子的特徵，而與使用的精子的種類無關。這些事實使摩爾根出疑問：「假若細胞核中的染色質是影響一切的，為何遲遲不出現父本的特徵？」他奮力擺脫染色體的影響，甚至說：「精子表面上看起來似乎只是染色質，但也許還有看不見的細胞質存在。」
孟德爾在is70年9月27日致卡爾·內格利教授的信中就已提出，性別決定也許會證明是一種遺傳與分離的現象。但是，像孟德爾另一些觀點的遭遇一樣，他這種見解或是無人理解，或是根本就被忽略了。甚至在1900年重新發現他的論文時，這種聯繫仍然不清楚。就像摩爾根當初提的問題一樣：「性別怎會是由基因決定的？誰起主導作用？雄性還是雌性？」
但是，生物學家，特別是細胞學家，避開了這一問題的複雜方面。他們開始琢磨，性別會不會是由染色體以某種方式決定的，因為染色體全都是成對的，而且同對的兩條染色體完全一樣，只是某一性別的生物有一對染色體不一樣，這兩條奇特的染色體叫X和Y。許多人（例如威爾遜）覺得這兩條染色體可能就是決定生物的性別的。
但有些事實卻似乎否定了上述的設想。牡蠣隨天氣變化而改變其性別，家蠶能根據外界環境條件而改變後代中雌雄的比例。蚯蚓任何時候都是雌雄同體，各種雌雄嵌合體也都既是雌蟲，又是雄蟲。在英格蘭的研究表明，雌蛾和雌鳥是異配子性，也就是說，它們有一條X染色體和一條Y染色體，而不是一對X染色體。但美國的研究（主要以昆蟲為研究對象）卻表明雄性是異配子性，即XY。使這一問題進一步複雜化而更加今人不解的是。有一種同翅類昆蟲，它們分為英國類型和美國類型，英國類型的未受精卵產生雄性後代，美國類型的未受精卵卻產生雌性後代。
當科學界證明了存在天然的或人工的孤雌生殖後，認為精子攜帶X或Y染色體從而決定性別這個簡單概念就更加難以使人接受了。既然洛布的實驗中根本沒有精子參與就產生了雄蛙和雌蛙，那麼，性別怎能說是由精子決定的呢？
摩爾根對性決定的機理產生了濃厚的興趣。1903年，他著文評述了當時流行的各種理論，1906年開始搞一個七年研究計劃。研究一種特別偏好葡萄的昆蟲根瘤蚜是怎樣得以孤雌生殖出雄蚜和雌蚜的。到1910年，研究結果似乎同染色體性決定的理論不一致。