各种生物都有各自的特点。红的花、白的花、蓝色的眼睛、黑色的头发、灰色的羽毛等等，可以列举很多很多。在生物学上，将这样可以区别的特征一般称之为“性状”。孟德尔假定各个性状是由包含在生物体内的各个遗传因子（现在称之为基因）决定的。例如，花所以红，是因为具有使它开红花的遗传因子。生物体内有着与一个个的性状相对应的一个个独立的基因。一个生物有很多的性状，也就具有很多的基因。拿人体来说，有关系到眼睛颜色的基因、眼睛形状的基因、身高的基因、肤色的基因，等等。
性状和基因相对应的想法，在孟德尔时代是一种假说，而在现代已经被证实了。根据现代遗传学的见解，基因的本质是称之为DNA（脱氧核糖核酸）的高分子物质，它是真实的存在而非假定的物质。并且，一个性状与一个或几个特定的DNA相对应。
在我们进行自然科学研究的时候，只是糊里糊涂地做实验是没有意义的。我们首先必须考虑好要解决什么问题，用什么做材料，采取什么样的方法进行实验以及如何处理实验结果等等。这些都要在事先计划好，并依据计划开展实验和研究。孟德尔在处理这些问题方面，堪称楷模。
“要解决什么样的问题？”
孟德尔从翁格尔那里受到启发，在于要了解植物的性状，如花的颜色、茎的高矮等，它们是根据什么法则传递给后代的问题。但是，这个想法不仅仅是从翁格尔那里得到的启示。在此之前，摩拉维亚地方改良品种的风气已经盛行；修道院的院长纳普最先想到要了解遗传法则；还有修道院的一些哲学家们的自然哲学的想法，都对孟德尔产生了较大影响。
这样一来，第一个问题便是探索遗传法则。在这个问题上，孟德尔的头脑中有着一个独特的构思，就是遗传法则是根据什么才得以建立呢？孟德尔认为，值得称作法则的东西，并非建立在往日生物界流传的那种“活力”的基础上，而是通过像物理世界中的粒子那样无目的地随机结合分离所致。他做了这样的设想并着手进行了实验。
在维也纳留学期间，孟德尔学习过道尔顿的原子论，所以现在他想用“因子”（基因）这样一个概念来表述他关于遗传法则的想法。
接着是用什么样的材料进行研究呢？
孟德尔首先选择了豌豆。
他在论文中写道：
“实验植物必须具备如下的条件：”
“一、具有不同的稳定特征。”
“二、在它们的杂种开花时，别的植物的花粉不能或容易防止与之交配。”
“三、杂种及其子代在繁殖方面没有显著的障碍。”
“在实验中如果不加注意，让别的植物的花粉混杂进来并授粉，就会得出完全错误的结论。另外，许多杂种的子代中繁殖能力低下或者像某些植物的杂种那样完全不育，这样的情形也将成为研究的障碍。”
“……豆科植物花的构造是特殊的，一开始就引起了我的注意。在这一科的众多植物中，从试验结果来看，豌豆属是最为理想的实验材料。”
孟德尔从种子商人那里买了34个豌豆品种的种子，做了两年的测试，从中选取了22个稳定的品种作为实验材料。
实验的方法也是很重要的。在孟德尔之前，也有研究者搞过豌豆实验及其他植物的杂交，但是那些人之所以未能发现明确的法则，是方法不对所致。孟德尔采取了三个方法：
第一，对于作为实验材料的植物，在性状特征明显不同的两个系统间进行人工交配，通过几代杂种来追踪这些性状的表现。在一系列实验中，孟德尔仅观察所研究的性状，而对其他性状不观察。
第二，为了所注目的性状从哪个个体传到哪个杂种的情况，作了正确的记录。
第三，对于双亲、杂种第一代、杂种第二代、杂种第三代中出现的具有所研究性状的个体数目进行了统计处理。特别重要的是，孟德尔并没有把未表现研究性状的个体数看作是操作误差而忽略掉，而是把它也加到计算数据中去。
例如，豌豆有多种多样的性状，包括花的颜色、茎的高度、子叶的颜色等等。在这些性状中，仅就茎的高度来说，就因种类不同而异。有的种类茎高达2米，而有的种类只有30厘米左右。因此，一个亲本选高茎的种类，另一个亲本选矮茎的种类，其后代茎的高度将表现如何？杂种第一代怎样？第二代怎样？又如在第二代个体中，高的占百分之几？矮的占百分之几？它们的各个子代又将如何？孟德尔在计划实验的时候，就注意到了这些问题。
孟德尔与前辈生物学家的区别之一，就在于他不是考察生物整体，而是着眼于个别性状。他对于实验材料的选择也是非常聪明和科学的。因为豌豆是具有稳定品种的自花授粉植物，容易栽种，容易逐个分离计数，也容易杂交，而且杂种是可育的。此外，他把统计学方法应用于生物学研究，这样对遗传性状不但作质的区分，而且还进行量的统计，这些都是他取得成功的关键所在。
实验是从1856年开始的。从开始后的长达8年的时间里，孟德尔一直全神贯注，小心翼翼地监视着这个实验。在此期间，他追踪考察到杂种的第六代，对1万株以上的植物作了仔细的考察和记录，以便于统计学处理。
一天，孟德尔的朋友，布尔诺高等实业学校的气象学教授尼耶塞尔来看望他，并邀请他参加布尔诺自然科学研究会的筹备工作。孟德尔愉快地接受了邀请，并从此成为该研究会的积极成员。他们像往常一样畅谈起来。孟德尔请尼耶塞尔教授去参观自己的实验园地。他经常邀请友人到那里参观，向他们介绍自己的工作，征询他们的看法。
穿过林荫道，绕过五彩缤纷、香气袭人的花圃，他们走进一块狭长的、种满了豌豆的园地。这块地约有35米长，7米宽，虽然看上去比较贫瘠，但一排排豌豆却长势喜人。
“您看，这些都是我的‘儿女’，它们长得多么壮实！”
孟德尔指着一串串嫩绿、饱满的豆荚，喜滋滋地向尼耶塞尔夸耀说。
“今年已经是第三年了，格里戈尔。你花那么多精力，不厌其烦地干，真的能达到你的目的吗？”尼耶塞尔疑惑地问。
作为孟德尔的好朋友，尼耶塞尔还不能完全理解他为什么要这么做。但是，教授还是很支持他的实验，常常饶有兴趣地过来参观。可是，最近几天，教授听到城里的一些风言风语，有人讥讽孟德尔的行为“反常”，说他的实验“不过是为了消遣”。尼耶塞尔教授也不禁有些疑惑。
“我将年复一年地观察这些豌豆的子子孙孙，通过实验指出植物遗传的规律性。”
孟德尔坚定地对老朋友说道。他并不理会庸人们的闲言和嘲笑。
接着，孟德尔还谈了自己的一些新鲜有趣的想法。
尼耶塞尔被他的叙述深深地吸引住了，同时又感到惊奇：
“如果您的观点被人们接受，岂不会像哥白尼那样带来一场思想革命？”
“不不，”孟德尔连连说，“你这是以伟人比凡人。”
接着，他又风趣地说：
“其实，我每天所做的工作，就是自然界里风和蜜蜂做的工作，如此而已！”
他完全清楚自己的发现具有划时代的意义，但他是谦虚的。
孟德尔在实验中用下面的七对相对性状形成了杂种：
一、成熟的种子形态不同。相对性状的一方种子是圆形的，表面光滑没有凹陷；另一方种子表面有不规则的棱角，有很深的褶皱。
二、种子的子叶颜色不同。相对性状的一方为黄色；另一方为绿色。子叶颜色的这种不同透过种皮可以从外面加以区别。
三、种皮的颜色不同。一方为白色，花瓣也是白色；另一方为灰色，花瓣是红色。
四、豆荚的形状不同。相对性状的一方饱满，而另一方有深深的缢痕。
五、未成熟的豆荚颜色不同。一方为绿色，另一方为黄色。
六、花的着生部位不同。一方为腋生，另一方为顶生。
七、茎的高度不同。一方茎高约2米，另一方则约为30厘米。
纯是出自偶然，支配这七对性状的基因恰巧分别位于豌豆的七条染色体上，而且豌豆的染色体也恰好为七对。这一事实是后来才知道的。
相对性状的确定，为孟德尔观察它们的遗传提供了条件。他将具有一对可区分性状的植株作为一组进行杂交，如高茎与矮茎杂交、圆粒与皱粒杂交，以单独观察它们的遗传，而不是像他的前辈们那样笼统地观察植株全部性状的传递。这样一来，孟德尔就观察到：在所有七组实验中，第一代杂种（也叫子一代）的性状都类似于亲本中的一个，不表现为融合的中间状态。如高茎与矮茎杂交，子一代都是高茎；子一代自交后产生的后代（子二代）则发生性状分离：两个亲本的类型都表现出来，同样也没有融合的中间形态。孟德尔把在子一代中表现出来的性状叫“显性性状”，把在子一代中未表现而在子二代中表现的性状叫“隐性性状”。他设想在花粉细胞和卵细胞中存在着某种遗传因子，并以符号形式表现出来。他设A为显性遗传因子，表示圆粒种子；a为隐性遗传因子，表示皱粒种子。两种因子在进入杂种细胞中时彼此分离，互不影响。
这样，像前辈们一样，孟德尔也观察到了杂种的显性现象和杂种后代性状的分离现象。但是他并没有停留在这一步。他进而分析了子二代性状的分离比率，发现在杂种后代中，显性个体与隐性个体的数目之比大致都是3：1.例如，在上述杂交中，圆粒种子是5474粒，皱粒种子是1850粒。两者之比为2灡9：1.其他六对性状的分离比都是如此，无一例外。通过这样的统计分析，孟德尔得到了3：1的分离比率，这就是我们今天遗传学教科书上所讲的孟德尔第一定律，即分离定律。
孟德尔接着用具有两对可区分性状的植株进行杂交，如以圆粒黄色种子的植株与皱粒绿色种子的植株杂交，结果子一代全是圆粒黄色种子，子二代种子中除了有圆粒黄色、皱粒绿色种子之外，还有两种新的组合类型，即圆粒绿色和皱粒黄色。孟德尔用A和a分别代表圆粒和皱粒的因子，用B和b分别代表黄色与绿色的因子。
孟德尔同样对子二代的个体数进行了统计分析，在总共556粒种子中，圆黄的315粒，圆绿的105粒，皱黄的101粒，皱绿的32粒，比例大致是9：3：3：1.恰好是（3：1）2的展开式。其中，圆粒与皱粒、黄色与绿色的数目比仍然是3：1.
孟德尔还观察了3对可区分性状的植物杂交后的遗传现象，子二代性状分离的比例正好是（3：1）3的展开式。孟德尔由此确定了（3：1）n的遗传法则。他设n为两个亲本类型性状的对数，子二代的系列中有2n个稳定组合类型，3n个组合项数，4n个个体数。这个法则表明了具有2对或2对以上性状的杂种卵细胞和花粉细胞在形成配子时，不同对的遗传因子自由组合，机会相等，这就是我们通常说的孟德尔第二定律，即自由组合定律。
生物遗传的分离定律和自由组合定律的发现，是孟德尔对生物学作出的最突出的贡献，也是19世纪继达尔文进化论之后，生物学上又一次取得的重大科学成就。现代遗传学研究表明，孟德尔发现的分离定律是生物遗传最基本、最一般的规律。尽管他发现的自由组合定律有其局限性，但仍不失为揭示生物遗传奥秘的带有根本性的规律。正如牛顿力学定律成为物理学大厦的基石一样，孟德尔遗传定律奠定了遗传学的基础，同时也促进了农学、园艺学、医学、人类学的蓬勃发展，对人类探求生命的奥秘有极其深远的影响。
孟德尔对生物学所作出的另一贡献，是他论证了颗粒遗传的思想，这一思想通篇融会贯通于他的论文之中。孟德尔认为，作为遗传基础的遗传因子在生殖细胞中是独立存在的。在受精过程中，遗传因子彼此分离和组合，互不发生影响，各自保持纯粹状态。遗传因子的这一特性就像化学上原子的性质一样。例如，2H2和O2化合成2H2O；2H2O又能分解成2H2和O2，同原来的2H2和O2的性质完全一样。孟德尔的粒子遗传思想具有重大的理论意义，它推翻了当时流行的融合遗传理论，代表了遗传学发展的正确方向。
孟德尔在植物杂交实验中创造了一整套全新的遗传学研究方法。他对实验材料的纯系培育、选择单位性状进行单因子分析，以及用杂种同隐性亲本的“回交法”已在现代遗传学和育种学中被广泛采用。孟德尔还开创了应用数学方法研究遗传问题的先河，使遗传学研究方法发生了重大的革新和突破。孟德尔正是运用了数理统计方法，才从表面上看来似乎是偶然的现象中成功地发现了遗传的规律。在一定意义上说，孟德尔所创新的研究方法，对遗传学发展的影响并不亚于他的伟大发现。
