1927年， 61岁的摩尔根已在哥伦比亚大学工作了近 1/4个世纪，他已到了该大学规定的强制性退休的年龄。此时摩尔根的成就已足以让一个科学家心安理得地过完舒适安宁的晚年生活。但是，摩尔根对科学实验的兴趣仍一如既往，他仍在思考进化论中的一个难题：基因是如何引起进化的，基因与进化到底有无联系等等。揣着这些问题，摩尔根离开哥伦比亚，来到加利福尼亚理工学院。在这里，这位杰出的科学家再度赢得了令世人瞩目的至高荣光——诺贝尔奖。
当时，加州理工学院行政负责人、物理学家罗伯特·A·米利肯是位于 1923年获得了诺贝尔物理学奖金的了不起的人物。此时的加州理工学院已发展成为世界物理科学的研究中心之一。他为该校积累了一笔丰厚的捐款。 1927年，物理、化学、地质以及航空等学科与工程学相结合，世界各地的一流学者纷纷被吸引到这里来。摩尔根就是被邀请来创办另一个新的学部——生物学学部的。最新的协议是：摩尔根将作为这个新学部的主任任职 5年，即从 1927年至 1933年，到那时，他可以自行引退，也可由大学理事会来辞退。但第一任结束后，摩尔根对新的学部所取得的成就并不满足，希望能继续留在加州理工学院工作，而学校理事会对他的工作也很满意，于是又让他担任了第二任学部主任。 1938年，当第二任任职期满时，摩尔根已 72岁。此时，他又请求工作 4年，并得到学院的允许，也即自 61岁离开哥伦比亚大学后，摩尔根在加州理工学院一直工作到 76岁， 1942年才退休成为该学院的名誉教授和主席。
1927年7月，摩尔根在对加州理工学院情况不甚了解时，便答应担任生物学学部主任。但他请求加州理工学院让他在哥伦比亚大学再逗留一年。在这一年里，他开始为加州理工学院拟定新的规划，包括如何从哥伦比亚大学挖走生物学研究的精华人物。
摩尔根认为，像加州理工学院这样的高校，其中心任务应该是研究，而不是教学。而且，这种研究应该是：“纯研究”，不受任何实际应用所制约。而在这样一所高校中创办生物学部，就意味着该学科的研究工作既要严谨，又要是分析性的。它不必搬用霍普金斯大学或哥伦比亚大学已设的那些课程，在课程设置上，可以另辟蹊径。于是他删去了形态学一类的课程，巧妙地将果蝇室与那不勒斯研究所两家的长处融在一起，强调生物学与物理、化学相互合作。他说：“只有确切了解在发育过程中的化学和物理变化，我们才能期望把有关发育的研究提高到一门精密科学的水平上来。”
有了这种指导思想后，摩尔根对新建的生物学学部开设的课程作了大胆改革，他把遗传学与进化、实验胚胎学、普通生理学、生物物理学、生物化学纳入开设计划，其余如心理学等，视日后形势再定。对于科研和教学的具体形式，摩尔根想在聚集到各种最优秀的人才后，按其各自的兴趣和特长再来决定。
鉴于这种原因，摩尔根到加州理工学院的第一年，在积极征求几个拟建学科建议的同时，只开展了一个遗传学系的工作。他把哥伦比亚大学果蝇室里的布里奇斯、斯特蒂文特及俄国的杜布赞斯基带到了加州理工学院。
作为一名一向大大咧咧、不拘形式的科学家，让他接受一项学部主任的“乌纱”，无疑是一种考验。摩尔根说自己一直想拼命摆脱这种行政事务上的纠缠。同时，他又整日提心吊胆，怕做出令一些朋友感到不满的错事、蠢事。而就其本人而言，他更喜欢、更善于独自一人在果蝇室这种俱乐部式的环境里搞研究。他的这种思维甚至影响他对企业联营经营现象的反感态度。他的女儿伊丽贝尔——后来成为国家基金会小儿麻痹症小组的微生物学家，常常与父亲辩论说，要进行任何有价值的科学研究，靠单枪匹马是不行的。而摩尔根却不以为然地非难她沾上了“洛克菲勒的企业思想”。
当加州理工学院新的生物学部建筑才完工一部分时，摩尔根便领着他在哥伦比亚大学的几名伙伴和一大群果蝇来到了这里。他们因陋就简，先在别的办公室和教室里挤了几个月。
由于他在使用集体资金时特有的吝啬，所以，对实验室需添购大量的仪器设备，摩尔根确实伤透了脑筋。他的文件柜实在装不下新来的资料了，于是他便想了这样的办法：每隔五年便焚毁一次资料档案。对后人来说，这对档案管理是件十分痛心的事，可能物质条件匮乏而又没有如今电脑储存信息的年代，我们也完全可以理解摩尔根不得已而为之的良苦用心。
为了尽可能地减少费用支出，加州理工学院生物学学部所在的每一层楼只装有一部电话机，整个大楼也只配一名秘书。有个远道而来的科学家向摩尔根要一箱装果蝇的瓶子，虽然每只瓶子还值不到一分钱，但摩尔根就是舍不得给他一只新瓶子，而是花费了足足两个小时的时间在实验室里搜索旧瓶子。实验室成员之一的比德尔为了给实验室添置一台显微镜物镜，他曾精心选定了一个星期天，去海滨的胚胎学实验室找心情最愉快的摩尔根。当时，这种显微镜物镜只值 90美元，但比德尔知道，除了这种机会，一般情况下，摩尔根是不会同意的。
作为一名组织者，摩尔根在加州理工学院生物学部开展的工作是大量而又卓有成效的。限于篇幅，不可能一一道尽，可我们可以从比德尔的研究工作中窥其全豹。比德尔研究生毕业后，便来到加州理工学院摩尔根麾下，开始研究果蝇的杂交工作。 1933年，他与访问学者伊弗鲁西两人开始提出这样的疑问，即斯特蒂文特曾提到的朱砂眼突变型在一个雌雄嵌合体上回复成正常眼颜色的现象，可能是研究基因遗传作用规律的一条线索。由于基因对于眼睛的作用似乎受到周围环境的制约，于是他们就这样假设，能否在变化着的环境里，从研究多种多样的眼睛突变型中，来弄懂基因作用的问题。他俩试着用外科手术把一只突变型幼虫的眼睛芽体切除下来，将它移植到一只野生型幼虫的体腔里。当这只寄生幼虫经过变态，并成为一只成熟的果蝇时，将那只移植的寄生眼睛切除掉，这样就可以观察到它的颜色变化情况。
比德尔与伊弗鲁西作出这种推测后，极想筹到一笔资金，以便于到巴黎去学习器官移植技术。比德尔试着向洛克菲勒基金会求援，但遭到拒绝。正当他们一筹莫展之时，他们突然得到从加州理工学院寄来的 1800美无。比德尔断言，这笔钱是来自摩尔根的私人腰包。
比德尔他们得到这笔资金后，很快赶赴巴黎的生物理化学院。他们深感摩尔根对于重要工作的直观识别力和促使这一工作得以顺利开展的决心。他们来到巴黎后。一位研究绿头苍蝇变态的学说权威给他们迎头泼了瓢冷水，断言他们对果蝇进行器官移植是行不通的。可实验结果表明，比德尔和伊弗鲁西成功了。他们发现，在大多数突变型眼睛芽体发育成预期的突变型颜色时，朱砂色和朱红色芽体都变成了正常红眼的颜色。比德尔和伊弗鲁西认为，这并不是由眼睛色素本身的遗传结构所决定，而是由身体的一些其他部分所决定。他们推断，一些物质从野生型组织扩散到移植的眼睛里去，使它成为天然的野生型颜色。
大量的进一步实验表明，对这种现象的唯一解释，可能就是存在着一种特殊基因控制着代谢的步骤，而每一个步骤又都被另外一种特定物质所控制，这种“特定的物质”就是酶。
摩尔根还从哥伦比亚带来过一种叫红色面包霉的真菌。此前，纽约植物园的道奇博士曾用这种真菌做过一种遗传学实验，结果虽然失败了，但他却建议摩尔根把这种真菌作为一种比果蝇更好的生物来加以研究。摩尔根采纳了这一建议，并把这一任务交给了一名叫卡尔 ·C·林格伦的年轻研究生。林格伦接受这一任务后，开始致力于这种菌的许多遗传学问题的研究。由于这种菌的遗传特性正被了解清楚：用 X射线或紫外线照射霉的子囊孢子极易引发突变；加之这种真菌在特定的最低培养基上可以生长，并能人工合成它所必需的物质，因而，生化突变型便很容易用它们不能生长这一现象进行鉴定。继而，就能通过添加物质来刺激其生长的实验，鉴定促使其不能生长的物质到底是什么。
实验中用射线刺激产生了 380种突变型。然后，用这些突变型进行交配，又产生出 6.8万个以上的子囊孢子。林格伦对这些子囊孢子进行了逐个检查，终于发现这样一个令整个生物学界震动的结论：基因对控制特定生化反应酶的合成起着主要作用。 1958年，这项研究继 1946年米勒获得第二个诺贝尔遗传学奖金后，成为这个领域里第三个诺贝尔奖金的获得者。
在这里，摩尔根本人的研究，似乎显得较之以前更为轻松愉快了。他的新住宅就位于生物实验室对面，住宅附近还建有一座温室。摩尔根夫妇俩每天早晨一同去实验室工作。午饭后便坐在住宅的院子里晒太阳。在这一时间里，摩尔根总是一边阅读书报，一边惬意地抽着雪茄。结束一天的工作后，便为妻子摘一朵红红的玫瑰花。到加州理工学院后不久，摩尔根便形成了这种自由自在的生活规律。不过，此时他得把自己的时间分成两半，一半搞研究，一半搞行政管理。
