1866年，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）发表了他的豌豆植物育种实验结果，为物理特征遗传的可预测模式提供了证据。他的发现的重要性没有立即得到承认。事实上，当时基因的存在是未知的。孟德尔称世袭单位为"因素"。

孟德尔的观察结果所依据的机制，即他的种族隔离和独立分类法的基础，仍然难以捉摸。在19世纪末，显微镜和染色技术的进步使科学家第一次看到有丝分裂和减数分裂。

20世纪初，西奥多·博维里（Theodor Boveri）, 沃尔特·萨顿（Walter Sutton）和其他人独立提出染色体可能是孟德尔定律（即染色体遗传理论）的基础。分别研究海胆和蚱蜢，萨顿和博维里注意到减数分裂期间染色体和孟德尔因子之间的惊人相似性。

像孟德尔的因子一样，染色体也是成对的。这让人想起孟德尔的分离定律，在减数分裂过程中，这两对染色体分离，使得每个配子（如精子或卵子）从每对染色体中获得一条染色体。染色体对彼此独立地分离，这符合孟德尔的独立分类定律。

染色体遗传理论的第一个具体证据来自其批判者之一 托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）。摩尔根发现，影响果蝇眼睛颜色的一个突变是由雄性和雌性果蝇不同的遗传而来的，并证明了这个特性是由X染色体决定的。

我们现在知道，孟德尔的因子是特定染色体位置的DNA片段，称为基因。不同染色体上基因的独立组合是中期I细胞中线染色体随机排列的结果，决定了哪些基因分离到相同的子细胞中。每对同源染色体独立于其它染色体进行迁移。分离规律对应于染色体在后期I的运动，在正常情况下，保证每个配子只收到随机分布的每个染色体的一个拷贝。