У юнацькому віці два літні сезони провів в горах рідного штату, займаючись геологічними і біологічними дослідженнями в експедиції Геологічної служби США.
У 1886 р Моргану було присвоєно ступінь бакалавра в Державному коледжі штату Кентуккі. У 1887 р він вступив до Університету Джона Хопкінса і три роки по тому отримав ступінь доктора філософії за дослідження в області ембріології морських павуків. Освоївши порівняльні і описові методи біології, Морган прийшов до висновку, що з їх допомогою неможливо пояснити механізм спадкової передачі ознак.
У 1904 р Морган був призначений професором експериментальної зоології Колумбійського університету, де продовжив заняття ембріологією.
У 1900 р отримали підтвердження висновки Г. Менделя, пов'язані з законами успадкування ознак. Це викликало у Моргана інтерес до нової сфері знань - генетиці. Досліджуючи мушку дрозофілу (всього чотири хромосоми, висока швидкість розмноження і коротка тривалість життя), вчений прийшов до висновку, що хромосомна теорія спадковості вірна. Виявивши зчеплене успадкування ознак, він припустив, що гени в хромосомі розташовуються в тісній близькості один до одного, і склав «карти», що відображають цю картину.
У 1933 р Моргану була присуджена Нобелівська премія з фізіології і медицини «за відкриття, пов'язані з роллю хромосом у спадковості».