在维也纳深造期间，对孟德尔影响最大的是翁格尔教授。这位进化论的先驱者，经常努力地向自己的学生灌输物种变异与进化的思想。这极大地鼓舞了孟德尔敢于同传统势力作斗争的勇气。翁格尔关于植物杂交与变异的理论也为孟德尔以后形成自己的遗传理论打下了基础。
正是在这些名师的熏陶和指导下，孟德尔受到了系统、严格的科学训练，奠定了全面的知识基础，学到了大科学家独特的研究方法，并且获得了在修道院里所不能获知的科学信息，了解了科学发展的状况和突破口。这一切都是他日后作出重大科学发现的潜在因素。在孟德尔的一生中，维也纳大学的进修，是他科学生涯的重大转折。
科学研究的典范
孟德尔以优异的成绩结束了维也纳大学的学习生活。他满载而归地回到了布尔诺后，被聘为布尔诺高等技术学院的助教，教物理学和生物学。那年，他32岁。
在学院里，孟德尔以其自身的优秀品质和渊博的学识很快地博得了教授们的好感。气象学家耐塞尔教授尤其喜欢这个勤奋、厚道的年轻人。他们早已成了好朋友，两人经常在一起切磋交流各自在不同领域里的研究体会。有一天，耐塞尔教授来到修道院，两人在修道院的林荫道上谈着学术界的各种问题。孟德尔把教授带到花园里，去看看教授所关心的他的豌豆实验。
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35米长，7米宽。看上去虽然比较贫瘠，但一排排豌豆却长势喜人。孟德尔看见这一串串嫩绿、饱满的豆荚，高兴得合不拢嘴，他把这些豌豆比做他的儿女。孟德尔的做法引起众人的不理解，有人对他进行讥讽，说他行为“反常”，有人说他只不过是为了消遣而已，作为孟德尔的好朋友，耐塞尔也不理解他为什么要这样痴迷，但是，教授相信孟德尔的所作所为，还是很支持他的实验。孟德尔看着教授疑惑的脸，知道他心里想着什么。“我将年复一年地观察这些豌豆的子子孙孙们，通过实验找出植物遗传的规律性。”孟德尔对教授这样说。他毫不理会庸人们的嘲笑。他心中早有定数：要解决植物的形态和花的颜色等根据什么法则传递给后代的问题。
在我们开始进行自然科学研究之际，仅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其结果等。这些都是事先计划好并根据它来开展研究。孟德尔就是出色地处理这些问题的典范。
对于生物性状遗传问题的探讨，孟德尔早就十分关注了。还是在18世纪中叶，科学家们就开始进行动植物的杂交实验，当时是围绕“杂交能否产生新种的问题”。到了18世纪末期，这个问题解决了，杂交实验的结果打破了神创说者的“物种不变论”。到了19世纪，关于动植物的杂交研究又进一步朝两个方向发展，一个方向是园艺学家或植物育种专家为了提高农作物的产量，通过杂交悉心培育优良的新品种；另一个方向则是理论研究，探索生物遗传与变异的奥秘，即：生物性状的遗传是否有规律可循？许多生物学家的实验得出同一结论：似乎是有规律可循。但是究竟是什么规律？为什么会产生这种有规律的遗传现象？这些问题成了当时生物学家迫切需要解决的重大课题。孟德尔决定向这个课题发起冲击，进行一种豌豆杂交实验。
孟德尔为什么会选择这个研究课题呢？当然除了他从小对植物和园艺的爱好外，更重要的是，在著名的植物学家翁格尔的指导下，孟德尔懂得，确定研究课题的关键是寻找当代科学发展的突破口，解决迫切需要解决的重大课题，才可能得到前人所没有得到的重大发现。
豌豆实验
1856年春，孟德尔向修道院要了植物园中一块废弃不用的荒地，种植和栽培了豌豆、菜豆、玉米、草莓等，他还饲养了蜜蜂、家鼠等小动物，以便能从中挑选能进行动植物遗传杂交试验的材料。经过反复实践，他确定豌豆是最适宜做杂交实验的。孟德尔从种子商那儿得到了许多品种优良的豌豆，花了两年时间进行选种，从中选出了一系列具有单一性状的优良品系用于实验。他认识到每次实验必须要注意单一性状。例如，种子的性状，而不是整个植株。
他选了22个性状稳定的品种，又选出了其中7对性状可以明显区分的，如黄色和绿色的叶子，高茎和矮茎，光滑种子和皱皮种子，豆荚饱满的和不饱满的等等。他在实验中发现：用于杂交实验的品系的子代的某一特定性状总是类似于亲代。
豌豆是自花授粉进行繁殖的，植株的结构使某一朵花的花粉通常落到同一花朵的柱头上而发生受精作用，这叫自花授粉。然而杂交也比较容易做到。孟德尔打开一花芽，在花粉散落之前就除去雄蕊，从而防止自花授粉，然后他给这朵花授以另一朵花的花粉。在一次实验中，孟德尔用结饱满种子的植株与结皱缩种子的植株进行杂交，由此研究种子性状的遗传。实验结果非常明确：产生饱满种子的植株不管作为父本还是母本，子一代（F1）杂种植株全部都结出饱满种子。皱缩性状看来是被饱满性状的显性所掩盖了。孟德尔发现他选定研究的七种特征都是这样的情况。在每次试验中，F1杂种只出现两个相对性状中的一个，孟德尔把这类性状（饱满种子、黄色豌豆和腋生花等）称为显性性状，而那些在F1杂种不能显现的性状（皱缩种子、绿色豌豆和顶生花等）称为隐性性状。
后来，科学家们发现，一个性状对另一个性状呈显性是常见的，但不是绝对的现象。某些情况下有“不完全显性”，即子一代杂种是两个亲体的中间类型。例如，开深红花的金鱼草植株与开白花的植株杂交，产生的子一代杂种的花都呈粉红色。产生这种结果的原因很简单，因为粉红色花的红色素比深红色花的红色素要少，而白花中则一点红色素也没有。双亲的某个性状都出现在子一代中的例子也很多，这称为“共显性”。例如，一个人从双亲那里继承了A型和B型血型，从而同时表现出A和B的血型。A和B两种血型特有的物质（抗原）同时存在于这个人的血液中。
孟德尔种下了子一代杂种结出的种子，等它长成植株后使其自花授粉。在饱满种子和皱缩种子两种植株杂交的子二代植株上结出的同一荚果内同时出现了饱满和皱缩两种种子。他统计了这些种子的数目，其中有5474颗是饱满的，1850颗是皱缩的，这个比值是296∶1，非常接近于3∶1。于是孟德尔又继续做了其他的杂交实验，结果都得出同样的比值，在每一次试验中，子二代出现的显性性状通常是隐性性状的3倍。
孟德尔接着准备研究子二代的饱满种子和皱缩种子是否真实遗传的问题。他又在试验地上播种了子二代种子，等长成植株后对它们进行自花授粉。结果，皱缩种子长成的植株自花授粉后只产生皱缩的豌豆。但是，饱满种子的情况则十分不同。尽管从外表上看它们很难区分，但这些饱满种子却有两种类型：其中1/3的种子，种植后长成的植株只产生饱满种子；其他2/3长成的植株产生饱满和皱缩的种子，比值为3∶1。这说明1/3的饱满种子（或者说子二代全部种子的1/4），是真实遗传的，其余2/3（或者子二代全部种的一半）像子一代杂种，它们长成的植株结出饱满和皱缩种子的比例为3∶1。孟德尔又用其他性状做这个实验，其结果都完全相同。在每个试验中表现出隐性性状的子二代植株是真实遗传的，它们的种子所产生的子三代植株与亲本是完全相同的。但是，表现出显性性状的植株却有两类：1/3是真实遗传的，另外2/3产生的子三代中，显性和隐性性状的比例为3∶1。也就是说，子代性状产生了分离现象，而且这种分离还遵循着一定的规律。
以上所谈到的孟德尔的实验都是涉及单个性状二者择一的表达。如果同时考虑两个性状将会有怎样的结果呢？孟德尔继续用豌豆做他的实验。他用种子饱满而呈黄色的豌豆植株与种子皱缩而呈绿色的植株进行杂交。结果如预期的那样，子一代（F1代）的所有豌豆都是饱满和黄色的，再用子一代的植株（都是饱满和黄色的）进行杂交，在子二代即“孙子”代中，出现了令人感兴趣的结果。对他的实验结果，孟德尔曾考虑到有两种可能：第一种可能是来自亲体的性状将一起传递；第二种可能是这些性状将彼此独立地遗传。孟德尔以他特有的洞察力从这些可能的选择中作出了他的预测。如果第一种可能是正确的，即来自亲体的性状一起遗传，那么子二代只有两种种子：饱满－黄色和皱缩－绿色，根据单性状遗传的规律，它们的比例将是3∶1。如果第二种可能是正确的，即性状独立遗传，那么将有四种种子：饱满－黄色（两种显性性状）、饱满－绿色（显性－隐性）、皱缩－黄色（隐性－显性）、皱缩－绿色（两种隐性性状），它们的比例将是9∶3∶3∶1，孟德尔从他的实验地中发现他的子二代豌豆确实有四种类型：其中314颗是饱满－黄色，108颗是饱满－绿色，101颗是皱缩－黄色，32颗是皱缩－绿色。这个结果非常接近他所预计的9∶3∶3∶1的比例，因此孟德尔断定，植物的不同性状是独立地传递的。
孟德尔在解释他的豌豆实验时，他引用了一个新的生物学概念叫“因子”，他把生物的相对性状归根于因子所决定，这些因子就是现在所说的基因。这些基因可通过配子从亲代传递给子代。孟德尔在两种性状的各种组合中证实了独立遗传规律。他在亲体同时有三个不同性状的实验中也证实了这个定律，这个实验称为“三因子杂交”。
考虑两棵豌豆植株间进行杂交，其中母体的植株是饱满－黄色－紫花，而父体的植株是皱缩－绿色－白花。那么，他们的子一代杂种就是三基因杂合体，由于显性的作用，它结饱满－黄色种子并开紫花。如果这三对基因自由组合，那么三杂合体植株将以相同的概率产生8种配子，来自两个亲体的8种配子之间随机结合，将有27种遗传性状组成。因为显性的作用，这27种遗传性状组成将减少到8种植株，它们之间预期的比例如下：27饱－黄－紫；9饱－黄－白，9饱－绿－紫；9皱－黄－紫；3饱－绿－白，3皱－黄－白；3皱－绿－紫；1皱－绿－白。孟德尔在实验中所得到的数据的比例与这个比例完全相符。
孟德尔花了整整8年的时间，从春到秋，天天都全神贯注，小心翼翼地观察着他的豌豆实验，仔细记录每一代“子孙”的各种特点，此外，孟德尔还做了大量繁琐的工作，据统计在长达8年的实验中，他一共栽培了数以千计的豌豆植株，进行了350次以上的人工授粉，挑选了一万多颗各种性状的种子。
豌豆实验证实了孟德尔所预想的结果。于是治学态度严谨的他又用玉米、菜豆等植株品种做
杂交实验，以便确定在豌豆属里发现的遗传规律是否也适用于其他植物品种。直到实践证明，他的结论可以推广到一般品种才肯罢休。
孟德尔遗传规律
1865年2月8日下午，在布尔诺高等技术学院的一座小房子里，正在举行布尔诺自然科学研究
会例会。研究会的秘书长耐塞尔教授站起来向大家宣布：“今天，将由格里戈尔神父报告他的关于植物杂交试验的新结果。”穿着黑色修士长袍，腋下夹着一叠论文的孟德尔缓步走上讲坛。他那双灰蓝色的眼睛里闪出自信、真诚的目光。
“植物的遗传和变异有两条规律可循。”当孟德尔宣布了这个结论后，全场鸦雀无声，在座的每一个人都把专注的，满怀兴趣的，但又是疑惑的目光投向讲坛。孟德尔顿了顿，继续言辞清晰地讲下去：
第一，当具有成对不同性状的植物杂交时，所生第一代杂种（“儿子”）的性状都只与两个亲体（即杂交的“父”与“母”）中的一个相同，另一个亲体的性状则隐而不显。这是显性定律（也就是现在遗传学上所说的孟德尔第一定律）。如将“儿子”们（杂种第一代）再自相杂交，所生“孙子”（杂种第二代）的性状就不再相同，而会发生“分离”，而且显性性状的个体数与隐性性状的个体数之间的比例是个常数——3∶1。这是分离定律（也就是孟德尔第二定律）。
第二，当同时具有两对或两对以上不同性状的植物杂交（如圆粒兼黄色的豌豆杂交皱粒兼绿色的豌豆），所生第一代杂种全是圆粒兼黄色的，而第二代杂种的每一对性状各自按3∶1的比例独立分离、互不干扰，也即圆粒黄色的与圆粒绿色的比例是3∶1，而皱粒黄色与皱粒绿色的比例也是3∶1，这就是独立遗传定律，也叫自由组合定律（即孟德尔第三定律）。
接着，孟德尔款款细述导致这些结论的实验经过，以及对这些结论的理论证明。在座的学者们，包括布尔诺最有名望的生物学家、化学家、植物学家都全神贯注地倾听着，他们完全被这个新奇的理论吸引住了。
报告结束了，学者们向孟德尔鼓掌致意，不是热烈的，而是有礼貌的掌声。没有人提出疑问，也没有人大声叫好，会后也没有举行讨论。显然，孟德尔的理论超越了与会者所能接受的水平。
在孟德尔以前的许多科学家也曾试图解释生物性状是如何遗传的问题。他们也用植物或动物进行杂交，然后观察子代和亲代的相似性。结果是令人迷惑不解的：子代的一些性状像一个亲体，另一些性状像另一个亲体，再一些性状则显然与哪一个亲体也不相像。找不到明显的规律性。而孟德尔却取得了成功，这应归功于他卓越的洞察力和实验方法。他的定量研究的方法和数量统计能力简直是惊人的，他所采用的遗传学分析法——统计在适当杂交的子代中每一类个体的数目——现代仍在使用。这是20世纪50年代分子遗传学发现之前惟一的遗传学分析方法。除了这种成功的方法以外，孟德尔之所以成为天才的科学家，还在于他构思创建性理论时表现出的独创性，虽然孟德尔的理论是作为一项假说而提出的，但他阐述得相当完美。
耐塞尔教授早已敏锐地预感到，孟德尔的遗传学理论将来一定会被人们所接受，而且还可能带来一场惊世骇俗的思想革命。在他的热心支持和帮助下，1866年布尔诺自然学研究会会刊发表了孟德尔的题为《植物杂交实验》的著作。遗憾的是，这部价值非凡的科学著作并没有引起世界科学界的重视，它的绝大多数印本都被丢在图书馆里无人问津。直到34年以后，即1900年，由荷兰的德弗里斯、德国的科伦斯和奥地利的丘尔马克这三位生物学家，分别在自己的研究中重新发现了孟德尔的遗传定律，才使淹没多年的这个伟大学说走向世界，获得了国际性声誉。当然，孟德尔自己坚信这个理论对生物科学有“难以估计的意义”。他在晚年曾对他的朋友说：“我的时代一定会到来！”
作为优秀的科学遗产，孟德尔的遗传学规律学说已载入了自然科学的史册；作为一个伟大的生物学家，孟德尔“定量”实验研究和统计分析的方法为科学工作者们开辟了一条成功之路。