1866年9月25日，摩尔根生于美国肯塔基州列克星敦。
1886年摩尔根毕业于肯塔基州立学院，1890年获得约翰斯·霍普金斯大学哲学博士学位。
1891年到1904年担任布林马尔大学教授。1904年到1928年期间，他进行了他的最重要的工作，当时他在哥伦比亚大学担任实验动物学教授。在这里，他卷入了由于1900年格里戈尔·孟德尔遗传学定律的重新发现而引起的论战。
许多科学家注意到孟德尔的分离率与在减数分裂中观察到的染色体的行为方式非常吻合。然而，摩尔根以充分的理由继续以怀疑的态度看待孟德尔定律，特别是独立分配规律。在当时，已知道遗传性状比染色体的数目多，所以每一个染色体必然控制许多性状。当时还知道染色体是作为一个整体遗传的，因此各种性状必定与单条染色体联系在一起并被认为是一起遗传的。
1908年摩尔根开始用具有四对染色体的黑腹孢果蝇进行了繁殖试验。摩尔根用突变型得到的最初结果证明了孟德尔的分离规律、但由于他发现突变白眼果蝇总是雄性的，因而很快找到了连锁的证据。因此，他对孟德尔定律作了唯一必要的修改——独立分配规律只能应用于位于不同的染色体上的基因。
摩尔根发现当同源染色体在减数分裂中配对，并且在所谓“交换”过程中交换遗传物质时连锁就会消失。当基因同染色体紧密相连时，基因连锁就不大可能消失，因此，通过记录连锁消失的频率，基因在染色体上的位置就能描绘出来。摩尔根和他的同事于1911年作出第一张染色体图。
由于他对遗传学的贡献，摩尔根获得了1933年诺贝尔生理学及医学奖。作为一个多产的作者，他最有影响的著作《孟德尔式遗传的机制》和《基因论》，是在哥伦比亚与他的同事共同撰写的。
摩尔根1927—1931年兼任国际科学院院长；1929—1930年兼任美国科学促进会主席。1945年于加利福尼亚州逝世。