1934年，立志投身于生命科学研究的谈家桢赴美国加州理工学院攻读博士学位，师从现代遗传学奠基人摩尔根。在美国深造时，谈家桢研究果蝇进化遗传学，利用当时研究果蝇唾腺染色体的最新方法，分析了果蝇近缘种之间的染色体差异和染色体的遗传图，促进了“现代综合进化论”的形成。在此期间，谈家桢发表论文10余篇，年仅28岁就在世界遗传学界崭露头角。

博士毕业后，谈家桢深知此时国内遗传学基础薄弱、亟待开拓，毅然选择返回祖国。1937年回国后，他应竺可桢校长之邀，成为浙江大学生物系的一名教授。不久，抗日战争爆发，浙江大学辗转西迁。西迁期间，谈家桢争分夺秒开展学科建设。在遵义湄潭祠堂“实验室”里，唯一的照明工具就是一盏小小的桐油灯，连件像样的实验器材都没有。竹管代替导管，瓦盆作为蒸发皿，挖地窖作冰箱，就是在这样艰苦的条件下，谈家桢发现了瓢虫鞘翅色斑变异现象，首次提出镶嵌显性遗传，引起了国际遗传学界的巨大反响。

新中国建立之初，中国学术界受苏联影响很大。苏联学术界当时把孟德尔——摩尔根遗传基因理论称为“反动唯心主义”的遗传学说，称米丘林主义与摩尔根主义是“社会主义与资本主义两种世界观在生物学中的两种意识形态的斗争”。中国当时也受到这种风气的影响。虽然当时谈家桢在遗传学研究上已经很有名气，但由于是摩尔根学派，他在从教的复旦大学里不能开设遗传学课程，也不能从事遗传学研究。毛泽东对这种在学术研究上乱贴政治标签的现象非常不满。在这场被定调为“两个阶级，两种思想斗争”的争论中，毛泽东以实事求是的科学态度，对谈家桢给予支持，先后四次接见了他。毛泽东鼓励谈家桢“要坚持真理”，“一定要把遗传学研究搞起来”。

1956年4月28日，毛泽东在中共中央政治局扩大会议上说：“百花齐放，百家争鸣，我看应该成为我们的方针。艺术问题上百花齐放，学术问题上百家争鸣。讲学术，这种学术可以，那种学术也可以。不要拿一种学术压倒一切，你如果是真理，信的人必然多。”那一年，在毛泽东主席的支持下，中国遗传学的摩尔根派和米丘林派的主要代表人物，在青岛举行了一场为期15天的座谈会。谈家桢和他的老师李汝祺都参加了此次会议。在这次座谈会上，此前几年饱受压抑的中国的摩尔根学派的学者们畅所欲言。回忆这段往事，谈家桢说：“青岛会议是一次历史性的转折，第一次对摩尔根学说有了科学的态度。正是通过这次会议，我才卸掉了包袱，对搞遗传学重新有了信心。”在谈家桢的指导下，我国的遗传学研究终于走出了它的艰难岁月，又翻开了新的一页。我国的遗传学研究，以累累硕果蜚声于世界。

谈家桢心系家乡，关心后辈的发展。谈家桢说：“青出于蓝而胜于蓝是我的座右铭，也是世界发展的必然规律。看到学生超过我这个老师，是我最开心的事。”

1989年9月，为了鼓励家乡浙江的学子报考生命领域专业，谈家桢以自己的稿酬和积蓄设立了“谈家桢生命科学奖学金”。后来他又多次用稿费向奖学金捐资扩充基金。谈家桢对家乡科技工作者寄予厚望。2005年，他向宁波市科协负责人亲手送出他写的“丰衣足食，安居乐业，延年益寿，天下太平”四句话。他用这四句话概括生命科学工作者的责任：“丰衣足食”就是用生物学研究成果推进农业发展；“安居乐业”则是要研究解决环境问题；“延年益寿”是进行医药开发；“天下太平”是要制止生物武器、维护世界和平。这四句话，也是他毕生“追求身心和谐”的写照。