人们通过实验证实了孟德尔遗传定律的正确性，但孟德尔学说中的遗传物质——“遗传因子”究竟在哪里呢？
19世纪后期的20多年里，显微镜、切片机和化学染料得到了广泛应用。这些都促进了细胞学的研究。
人们早就发现，如果人为地将一个单细胞生物分成两半，使其中一半含有完整的细胞核，另一半不含细胞核，那么，有核的一半就能够分裂、生长，另一半则趋于死亡。由此，人们初步认识到细胞的分裂实质上是细胞核的分裂。所以，科学家们把研究的重点放在了细胞核上。而且，他们还发现，可以用一些染料将细胞核染色。这样使细胞核在整个细胞中变得十分清晰，非常便于观察。
1848年，在花粉母细胞中德国植物学家霍夫迈斯特隐约看到了核内的丝状物。1879年，在细胞核内德国生物学家弗莱明发现了一种可以被碱性红色染料染色的“微粒状特殊物质”，他称之为“染色质”。1882年，弗莱明在描述细胞分裂过程，把整个细胞的分裂过程称为“有丝分裂”。因为他确信，染色质在其中起着至关重要的作用。十年后，德国解剖学家瓦尔德耶尔将“染色质”改称为“染色体”。
染色体
后来，科学家们发现：同一物种内的生物，细胞内都含有同样数目的染色体。细胞中的染色体成对存在。有丝分裂过程中，染色体的数目先加倍，然后细胞再一分为二，分裂后的两个子细胞都含有与原母细胞相同数目的染色体。
现在我们看一下减数分裂。减数分裂也称作“成熟分裂”，是指在性成熟的生殖细胞中，性母细胞经过两次连续分裂，染色体在整个分裂过程中只复制一次，形成的4个子细胞中的染色体数目减少到原来细胞的一半。减数分裂形成的细胞中，只有一套染色体，这种细胞也叫做单倍体细胞，常见的如生物体内的精子与卵子。当精子与卵子受精形成一个细胞后，受精卵中的染色体就变成了两套，由此出现了一个新生命的开始。由此可见，减数分裂及精卵结合是生命体世代交替和种类稳定的重要环节。
1903年，美国细胞学家萨顿在实验中发现：染色体的行为与孟德尔的遗传因子的行为是平行的，只要假定遗传因子在染色体上，孟德尔所提出的分离定律和自由组合定律的机制就可以得到合理的解释。后来的这一推论被证实，它为染色体学说奠定了基础。
染色体和遗传因子是不是一种物质呢？生物体内的染色体数目很少，如豌豆只有7对染色体，果蝇只有4对染色体，而遗传特性却很多。萨顿猜想：每条染色体上都带有很多个遗传因子。1906年，英国生物学家贝特森发现豌豆的某些遗传特征与另一些特征总是在一起遗传。这表明萨顿的猜想是有正确的。
1909年，丹麦植物学家、遗传学家约翰森提议用“基因”一词来代替“遗传因子”，得到了生物学家们的广泛赞同。
染色体之中是否存在基因？萨顿和贝特森只是做出了肯定的猜想。美国生物学家摩尔根首先用实验结果证实这一猜想。
摩尔根
开始的时候，摩尔根一直持怀疑孟德尔遗传因子学说，因为这一学说缺少实验的证明。摩尔根更相信实验的结果，不管实验的结果是证实还是否定自己的观点。
1909年，摩尔根开始通过果蝇实验研究遗传现象。摩尔根看来，果蝇是最理想的实验材料，它的生活周期只有10～14天，易于饲养，而且染色体只有4对。
1910年，他在一群红眼果蝇中发现了一只白眼雄果蝇。他发现用白眼雄果蝇同红眼雌果蝇交配后，第二代白果蝇竟全都是雄性的。当时其他科学家已经证明了染色体是决定性别的物质，因此白眼基因一定是与雄性基因同在一条染色体上。这是人类获得的染色体是基因载体的第一个实验证据。
果蝇的不同性状
摩尔根的进一步实验表明，一条染色体上可以有许多个基因，而且基因在每条染色体内是呈直线排列的。染色体可以自由组合，但排在一条染色体上的基因是不能够自由组合的。基因总是跟随着染色体——这种特点被摩尔根称为基因的“连锁”，即染色体好比是链条，基因好比构成链条的链环，链环跟着链条跑。可是，这种由链环连接而成的链条偶尔也有丢掉一个链环再补上的情形，由于同源染色体的断离与结合而产生了基因的“交换”。连锁和交换定律是摩尔根发现的遗传学第三定律，它揭示了一个奥秘：染色体好比是传递基因的接力棒，它永不停息地从上一代传往下一代。
虽然基因遗传理论确立了，但在当时基因究竟是不是一种物质实体还不清楚。摩尔根认为基因“代表一个有机的化学实体”，他在其著作《基因论》中写道：“像物理和化学家设想的看不见的原子和电子一样，遗传学家也设想了看不见的要素——基因……它之所以稳定，是因为它代表着一个有机的化学实体。”摩尔根确信，有一天，基因的客观存在性一定会得到证实。
在遗传学研究中的突出贡献，使摩尔根荣获了1933年诺贝尔生理学或医学奖。他是第一个因遗传学研究成果荣获诺贝尔生理学或医学奖的人。
