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유전학을 명명하고 그 기초를 마련했으며, 실험을 통해 유전에 관한 기본적인 증거를 제공했다. 헌신적인 다윈주의자인 그는 1885년 척색동물이 원시 극피동물에서 진화해왔다는 자신의 주장을 뒷받침하기 위해 배의 연구를 예로 들었다.

〈변이 연구를 위한 재료 Materials for the Study of Variation〉(1894)에서 그는 식물 또는 동물에서 뚜렷한 특징들이 갑자기 나타나거나 사라지는 것이 자주 발견되기 때문에 종(種)의 연속적인 변이를 통해 진화가 일어날 수 없다고 결론지었다. 형질의 유전이 알려진 뒤 불연속적인 변이가 이해될 수 있음을 깨달은 베이트슨은 식물과 동물의 실험적 육종에 관한 연구를 시작했다.

1900년 그는 오스트리아의 수도사인 그레고르 멘델이 34년 전에 쓴 논문 〈식물 잡종을 통한 실험 Experiments with Plant Hybrids〉을 발견했다. 후고 드 브리스, 카를 코렌스, 에리히 체르마크 폰 자이제네크도 같은 해에 발견한 그 논문은 완두콩의 연속적인 세대에서 나타난 형질 발현을 다루고 있었다. 베이트슨은 자신의 교배 결과가 멘델의 논문에 의해 설명될 뿐만 아니라, 멘델이 완두콩의 유전 형질을 지배하는 요소의 전달을 간결하게 묘사했다는 것을 알았다.

베이트슨은 멘델의 논문을 영어로 번역했으며, 그 이후 10년 동안 실험적으로 그의 법칙들을 확증하면서 멘델의 지지자가 되었다. 그는 레지널드 퍼네트와 함께 멘델의 법칙들을 동물(가금)에까지 확장했고, 어떤 특징들은 밀접하게 결합되어 함께 유전된다는 것을 보여주는 일련의 교배실험(1905~08) 결과를 출판했다. 멘델의 발견과는 상반되는 듯한 이러한 현상은 연관이라 불리게 되었고, 오늘날에는 이 현상이 같은 염색체상에서 서로 가깝게 위치하는 유전자 때문이라는 것이 알려졌다.

베이트슨의 실험은 또한 어떤 형질이 둘 이상의 유전자들에 의해 결정되는 경우를 보여주었다. 불행하게도 그는 유전학자인 토머스 헌트 모건의 연관에 대한 해석을 받아들이지 않음으로써 자신의 결과를 잘못 해석했다. 실제로 그는 모건의 전염색체 이론을 반대하고, 다른 과학자들 사이에서는 거의 받아들여지지 않던 개념인 힘과 운동의 법칙에 바탕을 둔 진동성 유전이론을 주장했다.

1908년 케임브리지대학교에서 영국 최초로 유전학 교수가 되었으나, 2년 뒤 그만두었다. 교수직을 떠난 뒤 그는 런던의 존 이네스 원예연구소(John Innes Horticultural Institution)를 유전학 연구의 중심지로 전환시키기 위해 노력하면서 남은 여생을 보냈다. 그의 저서로는 〈멘델의 유전법칙 Mendel's Principles of Heredity〉(1902)·〈유전학의 여러 문제 Problems of Genetics〉(1913) 등이 있다.