不过，达尔文又遇到了另一个难题：他知道，长颈鹿由于颈较长而能获得更多的食物，所以也更适于生存，但他弄不明白，生下的小长颈鹿何以有比父母更长的脖颈，有了更长的脖颈又如何能在种族中代代相传。达尔文是相信融合遗传的，但融合遗传的结果，后代表现的性状理应在双亲之间。那么，这种动物的颈怎会越变越长呢？
为了回答这一问题，达尔文无可奈何地接受了第三种理论的部分观点，即拉马克的“获得性遗传说”。1809年，让·巴蒂斯特·拉马克就提出，父母后天形成的具体技能、习惯和驱体结构可以传递给子女。虽然达尔文说，“老天爷不容我相信拉马克的‘进步的趋势’、‘动物的慢性意志产生适应’等等邪说异端！”但他事实上已经接受了拉马克的意见。他的日记里曾有记载，一位叫弗莱明·詹金的工程师指出，从数学理论上看，融合遗传与自然选择的缓慢进程是水上不相容的，因为，按融合遗传的理论，每经过一个世代，遗传的差异就减掉一半。达尔文没有其它办法解释长颈鹿为何长颈，只好认定长颈鹿把脖颈伸长了，并将这一特点传给了后代。
以上这些就是当时世界上到处都在辩论的问题。在霍普金斯大学、布林莫尔学院、哥伦比亚大学和伍兹霍尔，摩尔根都是进化论的拥护者。一天，吃过晚饭后，在一个夏季实验室里，摩尔根从前的老师布鲁克斯就遗传问题议论开了。威尔逊提高嗓门说：“布鲁克斯，我弄不清你讲这些理论的逻辑关系。”
布鲁克斯霍地站了起来，把嚼烂了的烟草沫，喷到走廊的栏杆上。他回敬道：“威尔逊，我料你也弄不清，你要想出个名堂，够你费好久的脑筋呢！‘
不过，据摩尔根和威尔逊看来，布鲁克斯的思想近乎浪漫，这可不是解决进化论问题的办法。解决有关进化论的问题，必须通过实验，这是摩尔根决定采用的方法。他信奉赫胥黎、洛布和欧洲经验主义理论家的机械主义哲学。1903年，朱尔斯·庞加莱对机械主义作过有力的阐述，他说：“实验是真理的唯一泉源，只有实验能使我们学得新的东西，只有实验才能使我们深信不疑。”
摩尔根认定可以通过实验研究卵如何发育成生物成体。同时他又认为，为了驳倒拉马克的获得性遗传说和达尔文的目然选择说（不久后他又在思考如何否定孟德尔的学说了），也必须通过实验进行研究。他写了五本关于进化的书，在第一本书《进化与适应》里，他对自己在这一时期的哲学观点有过细致但略嫌紊乱的表述。这本书发表于1903年，扉页上写着“献给威廉·基思·布鲁克斯教授，以表敬佩之忱。”摩尔根写的书只有三本是题献给别人的，另外两本，一本献给他母亲，一本献给威尔逊。在《进化与适应》的第463页上，他提到了布鲁克斯，稍微带点否定的意思。在这本总共470页的著作中，大部分表现出他对布鲁克斯最津津乐道的达尔文进化论的厌恶。
《进化与适应》一书主要是评述达尔文进化论所举的例证，不过，其中也讨论了拉马克、德弗里斯和孟德尔的理论。该书的结论是：达尔文和拉马克是错误的，德弗里斯和孟德尔是正确的。例如，摩尔根不同意达尔文所讲的生存竞争。他说：“当食物消耗殆尽时，还有几百万细菌生存着，于是它们一道进入保护性的休眠状态。”刚刚拜访了德弗里斯回来，他就宣称：“我认为，我们开始从新的角度来观察进化过程的时候已经到来。大自然创造新物种是突发性的。在这些新物种中，有一些能够找到它们得以继续生存的地方······有些新类型可能很适应某些地域，就在那里兴旺发达起来；有些只能勉强存活下去，因为它们找不到最适合它们的地方，又不能充分适应目前的生活条件；还有一些根本找不到可以发育的地方，甚至没法开始发育。从这个观点看问题，进化的过程会显得温和些，不像我们想象的只有消灭了一切对手才能成为成功者。进化过程似乎并不是一定要消灭大量生物，因为不大适应的生物连开始发育也还未能做到。进化并不是一场谁都以消灭一切异己为己任的大混战，而主要表现为创造出新类型来填补自然界中空着的空间或生物密度不大的空间。”
在以后三十年左右时间内，摩尔根渐渐接受了进化论和自然选择，但他数学基础差仍然是个问题，他一生中虽然最终也承认了霍尔丹、费希尔、赖特等人在数学方面的贡献，但他仍然坚持对进化论的研究必须用实验方法。
另一个问题是，他像大多数人一样、觉得很难承认小小的偶然事件可以造成巨大的发展，尤其是当他不能看见发展的各个阶段的时候。他之所以转变了看法，部分原因是受了他在哥伦比亚大学的学生们（不久后成了他的同事们）的影响。他们不断地为达尔文辩护。拿H·J·马勒的话来说，“达尔文的自然选择理论无疑是各个时代中最革命的理论。”“达尔文对生物进化的各种证据所作的精彩归纳……至今仍是人类思想史上无人超越的智慧的丰碑。”摩尔根从来就是更信服具体的证据，而不折服于什么智慧的丰碑。因此，对于他，这一问题很可能是到1922年6月22日参观牛津大学时才解决的。朱利安·赫胥黎安排动物学系拿出几种昆虫的有代表性的表示适应色的标本，其中包括波尔顿收集的那套漂亮的关于昆虫拟态的蝴蝶标本。这些标本除自然选择外别无其它解释。赫胥黎这样叙述摩尔根的反应：“我回去请他吃午饭时，拉也拉不动他。‘真想不到！我原来的确不知道世界上还有这种现象！’”几年以后，赫胥黎对美国哲学会这样回忆了当时的情景，他总结说：我荣幸地认为，就是在这个时刻，他转变了，相信生物的适应性变化，相信自然选择的结果形成生物的适应性。“
摩尔根写的关于进化论的书一本不同一本，这表示他虽不心甘情愿，但毕竟逐渐按达尔文的思想方法接受了进化论。不过，即使在他就进化问题写的最后一本著作中，他虽然承认了达尔文进化论的主要论点（但不像有些博物学家那样急于应用））但仍然有许多保留。他写道：
自然选择理论似乎认为，通过在群体中选择性状更趋特别的个体，下一代就会朝着这一方向前进。现在大家已经知道，这种看法是站不住脚的。无论是引起一部分初始变异的遗传因子，还是环境因子，它们都不能推动这种进步。没有这种基本条件，则自然选择是无力产生进化的。反之，如果产生了变异（这是由于遗传因子超越了原来的界限，即发生了突变），那么，这些变异就为自然选择提供了向前演化的物质基础。这并不意味着自然选择本身是出现新类型的原因，这些新类型中
有的具有生存的价值，只是由于消灭了不太适应的类型而给适应的类型留出了生存空间。假如历史上出现过的一切新的突变类型都生存下来并留下后代，那么，我们今天就会看到地球上生活着现今实际存在的一切种类的动、植物和无数其他类型。这样考虑问题，我们就不难看出，即使没有自然选择，进化同样可以发生。（载《进化之科学原理》，第130…131页）对于摩尔根之皈依进化论，至少赫胥黎是感到满意的。他十分高兴地把自己1942年出版的《进化：现代合成》献给了“T·H·摩尔根——对生物学的发展有多方面贡献的科学家”。
摩尔根既是遗传学家，又是胚胎学家。对此，他在20世纪最初几年就有清楚的认识。后来，他在《进化之科学原理》一书中重申，要证明生物进化，必须通过胚胎学而不是古生物学研究。摩尔根的成就，以作为一个胚胎学家开始，也以一名胚胎学家结束——至少这是他自己的见解。离开了布林莫尔学院，来到哥伦比亚大学，他继续胚胎学问题的实验。这一段工作，有很多总结在1907年出版的《实验动物学》一书中。其基本内容是：
他报道了通过加氨、加前列腺液，加盐刺激海星精子的实验；他报道了海胆种间杂交的实验结果，证明杂种的存活受季节和水温的影响。他一如既往，热衷于证明渐成说，所以尽量贬低人们认为的细胞核及其染色体的主导作用。他说：“大多数胚胎学家似乎倾向于把什么效果完全归因于细胞核，相信细胞核控制着原生质内的一切变化。我本人则相反，我倾向于认为，‘这种影响的根源在于细胞核’之类的见解还不是定论，这种影响也可能来源于和精子结合在一起与卵细胞结合的原生质。”他引证德里施的研究结果：胚胎的卵裂及其速度以及胚胎的早期发育都表现出卵子的特征，而与使用的精子的种类无关。这些事实使摩尔根出疑问：“假若细胞核中的染色质是影响一切的，为何迟迟不出现父本的特征？”他奋力摆脱染色体的影响，甚至说：“精子表面上看起来似乎只是染色质，但也许还有看不见的细胞质存在。”
孟德尔在is70年9月27日致卡尔·内格利教授的信中就已提出，性别决定也许会证明是一种遗传与分离的现象。但是，像孟德尔另一些观点的遭遇一样，他这种见解或是无人理解，或是根本就被忽略了。甚至在1900年重新发现他的论文时，这种联系仍然不清楚。就像摩尔根当初提的问题一样：“性别怎会是由基因决定的？谁起主导作用？雄性还是雌性？”
但是，生物学家，特别是细胞学家，避开了这一问题的复杂方面。他们开始琢磨，性别会不会是由染色体以某种方式决定的，因为染色体全都是成对的，而且同对的两条染色体完全一样，只是某一性别的生物有一对染色体不一样，这两条奇特的染色体叫X和Y。许多人（例如威尔逊）觉得这两条染色体可能就是决定生物的性别的。
但有些事实却似乎否定了上述的设想。牡蛎随天气变化而改变其性别，家蚕能根据外界环境条件而改变后代中雌雄的比例。蚯蚓任何时候都是雌雄同体，各种雌雄嵌合体也都既是雌虫，又是雄虫。在英格兰的研究表明，雌蛾和雌鸟是异配子性，也就是说，它们有一条X染色体和一条Y染色体，而不是一对X染色体。但美国的研究（主要以昆虫为研究对象）却表明雄性是异配子性，即XY。使这一问题进一步复杂化而更加今人不解的是。有一种同翅类昆虫，它们分为英国类型和美国类型，英国类型的未受精卵产生雄性后代，美国类型的未受精卵却产生雌性后代。
当科学界证明了存在天然的或人工的孤雌生殖后，认为精子携带X或Y染色体从而决定性别这个简单概念就更加难以使人接受了。既然洛布的实验中根本没有精子参与就产生了雄蛙和雌蛙，那么，性别怎能说是由精子决定的呢？
摩尔根对性决定的机理产生了浓厚的兴趣。1903年，他著文评述了当时流行的各种理论，1906年开始搞一个七年研究计划。研究一种特别偏好葡萄的昆虫根瘤蚜是怎样得以孤雌生殖出雄蚜和雌蚜的。到1910年，研究结果似乎同染色体性决定的理论不一致。
1907年，摩尔根在《实验动物学》中讨论性决定的内在因素时，用了大量篇幅谈非染色体的决定因素。他指出，史蒂文斯对粉虫的研究和威尔逊对大长蝽的研究澄清了一些非常重要的问题。两人的研究都证明了雄性带有染色体X和Y。“但我觉得，可以作一个更简单的假设：胚胎的性别不是在卵子或精子中就已决定了的，它可能是由胚的细胞中染色质的活动产生的数量反应决定的。”他似乎对魏斯曼略持批评态度。魏氏认为有性生殖的目的在于诱发变异。摩尔根始终对目的论深恶痛绝。他说：“孤雌生殖产生的无性类型”中的变异同通过有性过程而产生的类型中的变异同样引人注目。“
卡斯尔在哈佛大学发现雌雄同体的玻璃海鞘不能自体受精。这时，摩尔根紧接着开始了自体不孕机制的研究。摩尔根写道：“我已经用海鞘和其它几种生物做过实验，希望找出自体不孕的原因。把卵子浸泡在另一个体的血液或卵巢浸提液中，就不能使生物的卵接受自身的精子；反之，把精子浸泡在另一个体的血液或睾丸浸提液中，精子就不能进入‘自身的’卵子。”他觉得这样的结果十分复杂，不好解释，但他毕生都在试图研究这一问题，临到他离开人世，仍然没有停止这种努力。
摩尔根经常让几十个实验同时进行。不出他之所料，许多实验走进了死胡同。他常自嘲说，他搞的实验共有三类，一类是愚蠢的实验，一类是蠢得要命的实验，还有一类比第二类更糟糕的实验。但是，这一时期有一个实验——关于拉马克学说的实验——却有了意想不到的收获。1908年，摩尔根让他手下一名研究生在黑暗的环境里饲养果蝇，希望产生出由于长期不用眼睛而导致眼睛萎缩、往后几代眼睛终于会消失的果蝇：费尔南达斯·佩恩从前曾研究过来自古巴的盲蜥蜴和印第安纳州的无眼盲鱼，所以摩尔根建议佩恩试搞一下类似的实验。他把香蕉放在实验室的窗台上，用以招引果蝇。果蝇这种动物是种形体很小的蝇类，在美国又曾叫做醋蝇、果渣蝇，甚至叫做香蕉蝇，因为这种昆虫是随着香蕉传入北美的。用果蝇作为实验动物这个想法是卡斯尔在哈佛大学提出来的。他有个叫伍德沃德的学生，从1900年起就在饲养这种蝇类来研究近交的效应。佩恩的研究中，虽然连续繁衍了六十九代，始终不让它们见到日光，但结果却一事无成。第六十九代羽化出来，一时睁不开眼睛，这时，佩恩忙叫摩尔根快过来看，逗着他说这次好像成功了。但这些果蝇不久便恢复常态，若无其事地向窗口飞去。
但确有意义的是，这种最理想不过的动物被引进到哥伦比亚大学摩尔根的实验室。这种动物对生儿育女既无节制，又无顾忌，而且生得又快又多。它们吃得很省——只消一点捣烂发酵的香蕉就足够了。由于果蝇躯体小，所以小小的牛奶罐里可以饲养很多很�