摩尔根在遗传学实验中主要是以果蝇为实验材料，他的重要发现都是从果蝇身上取得的。有人说：上帝为了摩尔根才创造了果蝇。果蝇是小型蝇类动物，体长只有几个毫米。它喜欢在腐烂水果上飞舞，所以人称果蝇。实际上它喜欢的是腐烂水果发酵产生出的酒，所以酒发酵池前也会招引来很多果蝇，古希腊人称果蝇为“嗜酒者”。
摩尔根的实验室起初是用果蝇研究后天获得性状能否遗传的问题。他把果蝇在黑暗环境中连续培养很多代，按照拉马克的用进废退、后天获得性状可以遗传的理论，其视力应该逐渐退化。但是结果不是这样，摩尔根认为这个实验白费功夫了。
摩尔根用果蝇做出了重要的遗传学发现，是从一只白眼果蝇开始的，他由这只白眼果蝇发现了伴性遗传。野生的果蝇眼睛都是红色，但是在1910年时摩尔根的夫人发现了一只白眼雄果蝇。按照基因学说，这是发生了基因突变。用这只白眼雄蝇与普通的红眼雌蝇交配，子一代的果蝇都是红眼。按孟德尔学说解释，红眼是显性性状，白眼是隐性性状。子一代的果蝇交配产生出了子二代，结果雌果蝇全是红眼，雄果蝇一半是红眼、一半是白眼。如果不论雌雄，红眼果蝇与白眼果蝇的比例是3：1，符合孟德尔定律。可是为什么白眼都出现在雄果蝇身上呢？
摩尔根也做了回交试验，让子一代的红眼雌蝇与最初发现的那只白眼雄蝇交配，结果生出的果蝇无论雌雄都是红眼白眼各占一半，这也符合孟德尔定律。
摩尔根根据这些实验结果进行了深入思考，他提出了一种假设：决定果蝇眼睛颜色的基因存在于性染色体中的X染色体上雄果蝇的一对性染色体由X染色体和Y染色体组成，Y染色体很小，其上基因很少，所以只要其x染色体上有白眼基因，白眼性状就表现出来。雌果蝇的性染色体是一对x染色体，因为白眼是隐性性状，只有其一对X染色体上都有白眼基因才会表现为白眼性状。根据这种假设，就可以圆满解释上述实验结果。
白眼基因存在于性染色体上，它的遗传规律与性别有关，这就叫：“伴性遗传”。
人色盲的遗传、血友病的遗传，也是伴性遗传。色盲患者多是男性，女性很少，男性色盲患者的子女一般不色盲，可是其外孙中又出现色盲。对这种现象人们过去一直迷惑不解，伴性遗传概念的提出使人明白了其中的奥妙。 各种生物染色体的数量是不多的，例如果蝇是4对染色体，豌豆是7对，玉米是10对，人也只有23对。但是，每种生物基因的数量要比其染色体数量多得多。既然基因是存在于染色体上，那么每条染色体上肯定不只有一个基因，而是有许多个。好多人都从理论上做出了这种推测，但是拿不出实验证据，他们根本无法确定某种生物的哪个基因是存在于它的哪一条染色体上。自然科学讲究实证，没有证据时理论是不能得到承认的，至多算是一种合理的假设。 第一个拿出这种证据的是摩尔根，证据来自对果蝇的研究。
在证明白眼突变基因是存在于果蝇的x染色体上之后，摩尔根又发现了残翅突变、朱色眼突变、黄身突变等。
孟德尔定律说，在形成配子时成对的基因互相分离，自由组合。根据细胞学研究结果，形成配子时是成对的染色体互相分离，自由组合，所以，只有不在同一染色体上的基因才可以自由组合，而位于同一染色体上的基因则会连在一起遗传，这就是基因连锁。这种认识也是先从理论上推测出来，然后实验证实。
通过适当地选择交配对象，摩尔根得到了一条染色体上同时具有两种突变的果蝇，如黑身残翅果蝇。他让这种果蝇与普通的野生果蝇或具有不同遗传突变的果蝇交配，果然发现了基因连锁。例如白眼黄身果蝇与野生的红眼灰身果蝇交配，后代中白眼黄身者或红眼灰身者占99%，而没有表现为连锁遗传的即白身灰身者或红眼黄身者，只占1%。
然而连锁并不是百分之百，而且不同基因之间的连锁程度有高有低。摩尔根因此提出，不同染色体之间在形成配子时会发生基因交换，这是由于染色体之间可能发生物质交换而引起的。 摩尔根又进一步想到，同一条染色体上的两个基因，相距越远则发生交换的可能性越大，因此，根据交换率的高低可以判断出基因之间的相对位置。综合大量实验结果、摩尔根绘出了果蝇4对染色体的基因图：把每条染色体上的所有基因排成一条直线，交换率越小的摆的位置愈近。在根本无法直接看到基因的情况下，摩尔根竟然绘出了这样的基因图，人们不得不佩服他的实验工作和逻辑推理都非常严密。 早在1978年，科学家用果蝇筛选突变，试图找出控制果蝇胚胎分节的基因，他们发现有个基因缺失后，果蝇胚胎就长满小突起，跟刺猬似的，于是把这个基因命名为“hedgehog（刺猬）”。后来人们继续用哺乳动物研究刺猬基因，先后发现了“desert hedgehog（沙漠刺猬） ”和“Indian hedgehog（印度刺猬）”，如果说以刺猬物种命名还算规矩，第三个相关基因“sonic hedgehog（刺猬索尼克）”的出现就真在界内掀起了追捧热潮，刨除重要的功能不说，直到现在，这个基因的命名还为科学家津津乐道。
果蝇小眼的8个细胞中，7号专门感受紫外光。而sevenless（无七）基因就掌管了7号视锥细胞的有无，缺失的果蝇就不喜欢紫外光了。科学家接着发现了“无七”的配体，叫她bride-of-sevenless（无七的新娘），简写Boss（老板），显然科学家都知道夫妻俩该谁当家。再后来又发现了无七下游的son of sevenless（无七的儿子）和daughter of sevenless（无七的女儿）。相关基因越来越多，一大家子其乐融融（无七的儿子表示抗议，因为它的简写是sos）。
在研究动物生物节律上，果蝇的羽化和运动量有昼夜节律，果蝇在清晨和傍晚比较好动。如此这般一通突变，科学家发现一系列基因的破坏都能搞得果蝇生物钟紊乱。比如，在果蝇中发现的第一个调控生物节律的基因是period（时期），另一个基因缺失后的表现与period类似，就叫“timeless（没时间观念）”。之后，cycle(循环)和clock（时钟）浮出水面。最后，他们又找到shaggy（蓬头垢面）突变体，Shaggy过量表达，果蝇的生物钟就给调成20小时一天了——连脸也没空洗了。
类似例子还有很多。比如shaker（抖腿者）基因影响果蝇运动行为，这个基因突变后，乙醚麻醉下的果蝇的小细腿儿就不断颤抖，原来，这个基因掌管细胞的钾离子通道，而这个通道和神经细胞活动密切相关。巧的是，最近学界又发现，shaker和睡眠多少也有关系，突变果蝇睡得很少，被叫做minisleep（睡得少）。另外，果蝇的头那么小，你可能不相信它们能“学习”，但科学家还真做过果蝇学习的实验，他们使果蝇闻到气味A时遭电击，闻到气味B时不遭电击，之后让果蝇在AB之间选择，学习能力正常的果蝇通常会选择气味B，不正常的果蝇多种多样，但其中一种就是学习记忆力差，叫做dunce（笨蛋学生）突变。
果蝇基因命名者中不乏电影、艺术爱好者。前者给出过Klingon（克林贡语）这样的名字，因为基因发现者特别热衷于《星际迷航》；后者有一次从显微镜看果蝇突变体的翅膀，这些突变体翅膀上的毛不像野生果蝇那样整齐，而是像梵高的星月夜一样打着旋儿地排列，把这个突变叫做van gogh。
1963年科学家发现一些雄性果蝇特别喜欢搞其他雄性，他们管相关基因叫fruity（因为他们觉得同性恋的色情行为很搞笑），后来敌不过群众纷纷抗议，才改成了悲情的fruitless（无果的爱恋）如此可见，基因命名技巧多，且众口难调。 2014年9月2日，俄罗斯科学院生物医学问题研究所发言人透露，携带壁虎、果蝇、蚕卵、蘑菇和高等植物种子的“光子-M”四号生物卫星于9月1日在奥伦堡着陆。其中五只壁虎全部“殉职”，果蝇却存活下来。
“光子-M4”生物卫星于7月19日从拜科努尔航天发射场升空，进入地球轨道。当时与卫星失去联系，卫星一直不接受地面发的指令。7月26日才得以恢复联系。
“光子-M4”的生物使命包含8个实验，生物卫星携带的最大动物是5只长约10厘米的壁虎。壁虎实验希望它们繁殖后代。尽管卫星没能进入预定的轨道，但根据制定的计划，卫星自动启动了实验项目。
