Родился 25 сентября 1866 года в Лексингтоне (штат Кентукки). Старший сын дипломата Моргана. С детства питал склонность к естествознанию — обследовал округу, собирая коллекции окаменелостей, насекомых и растений.
В юношеском возрасте два летних сезона провёл в горах родного штата, занимаясь геологическими и биологическими изысканиями в экспедиции Геологической службы США.

В 1897 году, изучая способность животных к регенерации (восстановление организмом утраченных частей тела), учёный опубликовал первую работу на эту тему — начало серии статей, впоследствии обобщённых в труде «Регенерация» (1901), — где подчёркнута взаимосвязь между регенерацией и эмбриональным развитием.
В 1904 году Морган был назначен профессором экспериментальной зоологии Колумбийского университета, где продолжил занятия эмбриологией.

В 1900 году были переоткрыты законы наследования признаков Г. Менделя. Это вызвало у Моргана интерес к новой сфере знаний — генетике. Исследуя мушку дрозофилу, обладающей всего четырьмя хромосомами, высокой скоростью размножения и короткой продолжительностью жизни, учёный вместе со своими учениками К. Бриджесом, А. Стёртевантом и Г. Мёллером сформулировал так называемую хромосомную теорию наследственности. Обнаружив сцепленное наследование признаков, он предположил, что гены в хромосоме располагаются в тесной близости друг к другу, и составил «карты», отражающие эту картину.

В 1933 году Моргану была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности».

Умер 4 декабря 1945 году в Пасадене (штат Калифорния) от желудочного кровотечения.

Томаса Моргана смолоду интересовала морская фауна. В ней - описательная анатомия и сравнительная эмбриология. Для своей диссертации он изучил особенности одного из видов морских пауков. И, кстати, с 1987 года и до конца жизни не изменил своим паучкам: был попечителем морской биологической станции в Вудс – Холе (США)...

Но поняв, что с помощью морской фауны не объяснить наследственные механизмы передачи признаков всего живого, Томас стал искать новый объёкт для исследований.И нашёл при помощи коллег мушку дрозофилу.

Томас Морган так и сделал. О его «мушиной комнате» знал весь Колумбийский университет. На 35 квадратных метрах Морган с коллегами не только разводили дрозофил. Кроме 8 рабочих мест там была ещё кухня для мушиного корма и горы посуды, в которых дрозофилы жили, плодились, а потом изучались в разных ракурсах. Что ещё привлекало в дрозофилах учёных – это всего 4 пары хромосом в ядрах их клеток. Не то что у других живущих на Земле… К слову сказать, у человека аж 23 пары.

Как раз в 1909 Томас Морган и начал дружить с мушками дрозофилами. Зная, что гены находятся в клеточном ядре их хромосом, он установил первые мутации (лат. mutatio — изменение) при размножении мушек. Учёный заметил, что белые глаза у дрозофил бывают только у мужских особей. На основании этого наблюдения Морганом было сделано одно из самых важных открытий – зависимость мутаций от пола или, как его назвали по-научному, феномен «сцепления» генов.

Потом Томас Морган заметил, что гены одной хромосомы не часто, но передаются по наследству. Это значит, что возможно расщепление хромосом и обмен генетическими данными даже между генами одной хромосомы! И чем дальше друг от друга в одной хромосоме расположены гены, тем выше вероятность их разрыва и передачи по наследству. Морган с коллегами составили так называемые карты хромосом дрозофилы. В итоге это открытие – о зависимости «сцепления» генов от их удалённости друг от друга – стало революционным в генетике. Так Томас Морган со своими коллегами сформулировали хромосомную теорию наследственности

За открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности», ему была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1933 года.