A teoria de Darwin sobre a seleção natural foi brilhante até onde pôde, mas logo se chocou contra um obstáculo sério. Segundo as observações de Darwin, as características pessoais são passadas dos pais para sua prole em medidas iguais: dessa maneira, uma mãe inteligente e um pai estúpido produziriam filhos de inteligência mediana. Isso colocou um problema para a seleção natural.

Pois ainda que um indivíduo "superior" aparecesse em uma espécie, essa característica superior seria gradualmente diluída através da reprodução. Mesmo Darwin ficou engasgado com isso, e em resposta modificou sua teoria, incorporando a proposição de Lamark de que a forma de criação, assim como a natureza, deve guiar o desenvolvimento individual.
 
Darwin, entretanto, havia suposto que as mudanças evolucionárias aconteciam gradualmente; essa hipótese logo foi provada falsa. William Bateson, na Inglaterra, e Hugo de Vries, na Holanda, descobriram que as espécies parecem evoluir em passos bruscos e descontínuos, chamados por de Vries, em 1900, de "mutações".

No mesmo ano, Vries se deparou com alguns artigos publicados uma geração anterior pelo monge austríaco Gregor Mendel (1822-1884).

Embora esse trabalho tivesse sido ignorado durante sua vida, Mendel, trabalhando com simples pés de ervilhas, tinha levado a cabo a descoberta de leis da hereditariedade que revolucionariam a biologia e traçariam as bases da genética.

Por sete anos, de 1856 a 1863, Mendel cruzou e produziu híbridos de plantas com características distintas - plantas altas com plantas anãs, ervilhas amarelas com ervilhas verdes e assim por diante.

Ele observou com surpresa que tais características não são diluídas nem resultam em meio-termo, mas se mantêm distintas: o rebento híbrido de uma planta alta e de uma anã era sempre alto, não de tamanho médio.

 
Ervilhas amarelas cruzadas com ervilhas verdes  produziam ervilhas amarelas, em vez de ervilhas verde-amareladas.
 
E, ainda mais interessante, quando Mendel miscigenava os híbridos altos, a geração seguinte retinha as características distintivas encontradas nas plantas "avós": a maioria era alta, porém mais ou menos um quarto delas eram anãs.

Da mesma forma, a terceira geração de plantas do cruzamento amarelo/verde eram 75 por cento amarelas e 25 por cento verdes.

Mendel logo deduziu a matemática por trás desse fenômeno. As plantas, como os mamíferos, têm dois "pais" e cada um aparentemente contribui com características (alta ou anã, amarela ou verde) para as gerações subseqüentes.

Portanto, embora a característica de tamanho pequeno possa desaparecer na segunda geração, ela vai aparecer em alguns indivíduos da terceira; dessa maneira, a segunda geração (híbridos altos) deve ainda conter "instruções" para produzir rebentos pequenos. De fato, tais instruções devem vir em pares, um par de cada pai, e um elemento do par é passado para cada rebento da terceira geração.

Mendel chamou isso de "lei da segregação": características herdadas são passadas igualmente por cada um dos pais, e, em vez de se misturarem, elas se mantêm separadas.

Isto é, cada uma das características é gerada por um par de instruções, com as instruções «dominantes" determinando a aparência da prole e as instruções "recessivas" mantidas latentes. (As características recessivas aparecem somente quando ambos os fatores em um par são recessivos.)

Além disso, de acordo com a "lei da variação independente" de Mendel, a contribuição de cada pai com um fator é algo governado pelas leis da probabilidade - fatores dominantes não têm maior probabilidade de serem passados adiante do que os recessivos. Características herdadas também são independentes: as instruções para altura não têm nada a ver com as instruções para a cor.

Embora a questão da hereditariedade seja geralmente bem mais complicada do que o cruzamento de ervilhas, Mendel havia se deparado com um princípio genético fundamental.

Tão logo as descobertas de Mendel foram cruzadas com a biologia da célula, a genética emergiu como um novo campo. Com o melhoramento dos microscópios, os biólogos foram capazes de observar que as células se reproduzem dividindo-se em duas, e que cada célula resultante herda metade de cada cromossomo do original. Em idos de 1870, foi também descoberto que, quando um esperma fertiliza um ovo, os cromossomos se combinam.

Essas duas observações juntas explicam o mecanismo básico da hereditariedade. Os "fatores" de Mendel foram eventualmente renomeados de genes', e descobriu-se que cada par de cromossomos em uma célula carrega vários pedaços de informação genética.

De um modo geral, a genética abriu caminho para uma linha darwiniana modificada: a evolução se processa algumas vezes por mutação súbita, com as novas características sendo passadas geneticamente, mas principalmente pela variação genética natural (recombinação de genes).

Em cada caso, a natureza "seleciona" as mudanças favoráveis à sobrevivência e rejeita as mudanças que não são para melhor (como são geralmente as mutações radicais).