Tres hombres, el alemán Karl Correns (1864-1933), el austríaco Erich Tschermak-Seysenegg (1871-1962) y el holandés Hugo De Vries (1848-1935), redescubrieron, trabajando independientemente, el trabajo de Gregor Mendel. Se considera el año 1900 como el inicio de la ciencia genética.
En Los cromosomas de la herencia, de abril de 1903, Sutton predijo los aspectos fundamentales del ligamiento genético y demostró el paralelismo entre el comportamiento de cromosomas en meiosis y las leyes de segregación de Mendel.
La idea de Sutton ganó fuerza con la demostración de Thomas Hunt Morgan (1910) de la asociación entre la herencia de ciertos genes de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster) con los cromosomas que determinan el sexo. Posteriores experimentos de Morgan (1911) y Alfred Sturtevant (1913), pusieron de manifiesto paralelismos de herencia entre los propios genes, sugiriendo que esos genes estaban en el mismo cromosoma (concepto de ligamiento). El artículo del citólogo belga F. A. Janssens había incluido una descripción de preparaciones de cromosomas de anfibios, que, durante la formación de los gametos (meiosis), exhibían una superposición distintiva, o sobrecruzamiento de cromosomas, que él denominó quiasmas. Janssens interpretó este fenómeno como una verdadera fusión de dos cromosomas seguida por la ruptura y reunión que conduce a un intercambio de las correspondientes regiones cromosómicas. Sturtevant y Morgan se aferraron a ella como una posible explicación de las molestas excepciones a su meticuloso esquema de genes asociados. Si eso ocurría realmente, el sentido común les decía que los genes que estuvieran más lejos entre sí en los cromosomas tendrían seguramente una probabilidad mayor de ser intercambiados cuando los cromosomas se cruzaban, rompían y recombinaban, que los genes que estuviesen ubicados uno cerca del otro.
Sturtevant diseñó experimentos con esta teoría y para 1913 había mostrado que 6 genes, todos localizados en el cromosoma X, a veces aparecían intercambiados durante la meiosis. Trabajó con 6 loci: cuerpo amarillo (y), ojos blancos (w), ojos eosina (ye), ojos bermellón (v), alas miniatura (m) y alas rudimentarias (r). (Ojos blancos y ojos eosina son en realidad alélicos; Sturtevant no encontró entrecruzamiento entre los dos loci). Al hacerlo, produjo el primer mapa de un cromosoma. Los seis genes podían ser dispuestos sobre el cromosoma X, en base a sus frecuencias de sobrecruzamiento, en un orden lineal:
Calvin Bridges demostró que los genes están en los cromosomas. Empleando moscas del vinagre con un cromosoma de más, demostró que la herencia anormal de ciertos genes podía explicarse sólo si formaban parte del cromosoma extra. Finalmente, en 1931, Harriet Creighton y Barbara McClintock demostraron que la formación de nuevas combinaciones de genes en el mismo cromosoma se correlacionaba realmente con el intercambio físico de tramos de los cromosomas.
En 1927, Hermann Muller demostró que puede producirse una alta frecuencia de mutaciones tratando las células con rayos X, lo cual supuso la primera demostración de un agente mutagénico ambiental. El trabajo de Muller sobre la inducción de mutaciones abrió la puerta al empleo de las mismas como técnica genética de disección de procesos biológicos, técnica que hoy en día sigue siendo ampliamente utilizada. En 1943, Salvador Luria y Max Delbrück emplearon bacterias para demostrar que la mutación es un suceso aleatorio, que puede ocurrir en cualquier célula y en cualquier momento.
La Genética molecular se inició en 1941 cuando George Beadle y Edward Tatum utilizaron el hongo Neurospora crassa para demostrar que ciertos genes implicados en la química celular ejercían su labor mediante la determinación de proteínas catalíticas denominadas enzimas. Poco después, Oswald Avery, C. M. McLeod y M. McCarthy (1944) demostraron que podía modificarse la dotación genética de una célula bacteriana añadiendo DNA exógeno (el primer caso de transgénesis), demostrando así que los genes bacterianos están hechos de DNA, descubrimiento que sería luego extendido a todos los organismos. En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase demostraron que, cuando los virus inyectaban su información genética en las células huésped, el DNA penetraba en la célula, mientras que la cápside proteica permanecía en el exterior. La información genética introducida en las bacterias las había instruido para fabricar muchos nuevos bacteriófagos. El DNA era, de hecho, una macromolécula que suministraba información.
En 1953 James Watson y Francis Crick propusieron un modelo de doble hélice para la estructura de DNA, basándose en hallazgos cristalográficos (Rosalind Franklin) y químicos (Edwin Chargaff). Se proponía que cada una de las hebras entrelazadas de DNA era una cadena de grupos químicos denominados nucleótidos de los que se conocían cuatro tipos. Como las proteínas son cadenas de aminoácidos se sugería que una secuencia específica de nucleótidos de DNA (un gen) contenía información cifrada para determinar la secuencia de aminoácidos, y por tanto, la estructura de una proteína. El mecanismo de separación de las cadenas para replicar el DNA (llamado mecanismo semiconservativo) fue demostrado experimentalmente por primera vez, en 1958, por Matthew Meselson y Frank Stahl. Al finalizar la replicación del DNA aparecen dos moléculas. Cada una de ellas es una molécula híbrida, compuesta de una cadena parental entrelazada con una cadena sintetizada de novo, de ahí el término semiconservativo. En 1961, Francis Crick y Sidney Brenner demostraron que la secuencia de nucleótidos debe ser traducida en grupos de tres por cada aminoácido. El código genético completo, los 64 tripletes posibles que pueden utilizarse como unidades codificadoras (codones) y los aminoácidos específicos que determinan cada uno de ellos, fue deducido en 1966 por Marshall Nirenberg y Gobind Khorana.