1866年9月25日，摩爾根生於美國肯塔基州列剋星敦。
1886年摩爾根畢業於肯塔基州立學院，1890年獲得約翰斯·霍普金斯大學哲學博士學位。
1891年到1904年擔任布林馬爾大學教授。1904年到1928年期間，他進行了他的最重要的工作，當時他在哥倫比亞大學擔任實驗動物學教授。在這裏，他捲入了由於1900年格里戈爾·孟德爾遺傳學定律的重新發現而引起的論戰。
許多科學家注意到孟德爾的分離率與在減數分裂中觀察到的染色體的行爲方式非常吻合。然而，摩爾根以充分的理由繼續以懷疑的態度看待孟德爾定律，特別是獨立分配規律。在當時，已知道遺傳性狀比染色體的數目多，所以每一個染色體必然控制許多性狀。當時還知道染色體是作爲一個整體遺傳的，因此各種性狀必定與單條染色體聯繫在一起並被認爲是一起遺傳的。
1908年摩爾根開始用具有四對染色體的黑腹孢果蠅進行了繁殖試驗。摩爾根用突變型得到的最初結果證明了孟德爾的分離規律、但由於他發現突變白眼果蠅總是雄性的，因而很快找到了連鎖的證據。因此，他對孟德爾定律作了唯一必要的修改——獨立分配規律只能應用於位於不同的染色體上的基因。
摩爾根發現當同源染色體在減數分裂中配對，並且在所謂“交換”過程中交換遺傳物質時連鎖就會消失。當基因同染色體緊密相連時，基因連鎖就不大可能消失，因此，通過記錄連鎖消失的頻率，基因在染色體上的位置就能描繪出來。摩爾根和他的同事於1911年作出第一張染色體圖。
由於他對遺傳學的貢獻，摩爾根獲得了1933年諾貝爾生理學及醫學獎。作爲一個多產的作者，他最有影響的著作《孟德爾式遺傳的機制》和《基因論》，是在哥倫比亞與他的同事共同撰寫的。
摩爾根1927—1931年兼任國際科學院院長；1929—1930年兼任美國科學促進會主席。1945年於加利福尼亞州逝世。