摩爾根於1866年9月25日生於美國肯塔基州的列克星頓。1880年，他進入肯塔基州立學院學習生物學，1886年獲得動物學學士學位。之後，他去霍普金斯大學深造。在霍普金斯大學，他在幾位著名教授的指導下攻讀了普通生物學、生理學、解剖學、形態學和胚胎學。1890年，他完成了博士論文《論海洋蜘蛛》，獲得哲學博士學位。1891～1904年任布林馬爾大學動物學副教授。1904～1928年任哥倫比亞大學實驗動物學教授。1928～1945年任加利福尼亞理工學院生物學教授。1919年被選為倫敦皇家學會會員。
摩爾根的研究興趣極為廣泛，他一生的科研工作總是在生物的進化、遺傳和發生等廣闊的領域裏不斷地交換著研究課題。在1895～1902年期間，他集中精力研究實驗胚胎學，著有《實驗胚胎學》一書，對於當時發展以生理為基礎的生物學觀點起了一定的推動作用。在1903～1910年期間，他研究進化論，特別是研究與性別決定有關的遺傳學和細胞學問題。在1910～1935年期間，他集中研究果蠅的遺傳問題。在1935～1945年期間，他研究胚胎學及其與遺傳和進化的關係。
摩爾根不僅對於果蠅的遺傳學研究最負盛名，同時他對於胚胎學、細胞學以及進化論的研究也都作出了顯著貢獻。為了表彰他在創立染色體遺傳理論方麵的功績，摩爾根被授予1933年度的醫學或生理學諾貝爾獎金。除此以外，他還獲得了其他許多科學榮譽，其中包括倫敦皇家學會授予的達爾文獎章和開普勒獎章。摩爾根的功績不僅是在染色體遺傳理論方麵和胚胎學方麵所取得的重大成果，而且在實驗方法上，他首次把定量分析方法應用於解決生物學問題，這就促使遺傳學很快地有了飛躍的發展，並為現代的新興科學——基因工程奠定了基礎。
摩爾根是於1908年前後開始養殖果蠅的。1910年，他在一個培養瓶裏，偶然在一隻雄果蠅身上發現了一個細小而明顯的變異：一般的果蠅都是紅眼，而那隻變異的雄果蠅卻是白眼。摩爾根讓這隻白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅進行交配，結果所得到的後代都是紅眼。在子一代中進行兄妹交配而產生子二代，其中發現了一些白眼果蠅。摩爾根驚奇地注意到，所有的白眼果蠅幾乎絕大部分出現在雄性身上，偶爾也會出現一隻白眼雌果蠅。
摩爾根把白眼果蠅的出現，稱為性別連接，意思是說，白眼基因是被連接在性染色體上的。後來，摩爾根的性別連接觀點被證明可以適用於一切有性生殖的生物體，並能說明許多其他模糊不清的遺傳類型，包括人的紅綠色盲和血友病。摩爾根的果蠅研究成果，第一次揭示出一種或多種遺傳特性與某一特定的染色體的明確聯係。
總之，摩爾根發展了孟德爾的遺傳學理論。他在以果蠅為材料進行的實驗遺傳學的研究中，發現了伴性遺傳的規律。他和他的同事們在發現連鎖、交換和不分離現象等的基礎上，發展了染色體遺傳學說，認為染色體是孟德爾式遺傳性狀傳遞機理的物質基礎。
摩爾根進一步創立了基因學說，認為基因是組成染色體的遺傳單位，並且證明基因在染色體上占有一定的位置，而且呈直線排列。他還認為，在個體發育中，一定的基因在一定的條件下，控製著一定的代謝過程，從而體現在一定的遺傳特性和特征的表現上，基因還可以通過突變而發生變化。他在遺傳學方麵的著作有《基因論》、《孟德爾式遺傳機製》等。
摩爾根於1945年12月4日逝世於美國加利福尼亞州的帕薩迪納。