En 1910, descubriu un mutante de ollos brancos entre individuos de ollos vermellos. A proxenie do cruzamento dun macho de ollos brancos cunha femia de ollos vermellos presentou ollos vermellos, o que indicaba que o carácter "ollos brancos" era recesivo. Morgan denominou white o xene correspondente, iniciando así a tradición de nomear os xenes segundo o fenotipo causado polos seus alelos mutantes. Ao cruzar estas moscas entre si, Morgan decatouse de que só os machos mostraban o carácter "ollos brancos". Dos seus experimentos, concluíu que (1) algúns caracteres herdábanse ligados ao sexo,(2) que o xene responsable do carácter residía no cromosoma X, e que (3) probablemente outros xenes tamén residían en cromosomas específicos. El e os seus estudantes contaron as características de miles de moscas e estudaron a súa herdanza. Empregando a recombinación dos cromosomas, Morgan e Alfred Sturtevant prepararon un mapa coa localización dos xenes no cromosoma. Morgan e os seus estudantes tamén escribiron o libro Mechanisms of Mendelian Heredity. Morgan trasladouse ao Instituto Tecnolóxico de California (CalTech) en 1928, e morreu en Pasadena en 1945.
O legado de Morgan para a xenética é moi importante. Algúns dos estudantes de Morgan en Columbia e o CalTech gañaron os seus propios Premios Nobel, como George Wells Beadle, Edward B. Lewis e Hermann Joseph Muller. Na honra de Morgan, a Genetics Society of America concede anualmente a Medalla "Thomas Hunt Morgan" para premiar as contribucións significativas da ciencia na xenética. Eric Kandel, galardoado co Premio Nobel, escribiu sobre Morgan: "Así como as ideas de Darwin sobre a evolución das especies lle deron coherencia á bioloxía do século XIX como ciencia descritiva, as descubertas de Morgan sobre os xenes e a súa localización nos cromosomas axudaron a converter a bioloxía nunha ciencia experimental." A unidade de frecuencia de recombinación usada en cartografía xenética, denomínase centiMorgan na súa honra.
No laboratorio de Morgan da Universidade de Columbia realizou unha longa e frutífera estancia José Fernández Nonídez, un dos pioneiros españois da xenética, quen difundiu a teoría cromosómica da herdanza en España.