当年10月至次年4月的第一学期，孟德尔就亲耳听到了杰出的物理学家、著名的“多普勒效应”的发现者多普勒亲自讲授的实验物理学课并充当他的物理实验助手。耳濡目染再加上亲身实践，不仅学到了新的物理学原理，更体验到多普勒的科学思想和方法，它有别于过去的科学家常用的培根式归纳法，采取了以果推因的假说演绎法。即从大自然演化或科学实验的结果，经过分析，提出假说，然后，根据这个假说演绎出若干可供实验的事实，再经过实验予以证实或证伪，经过反复修正，逐步形成比较完整的理论。这种方法比传统的归纳法更能发挥科学家的主观能动性，而且可靠性较高，当时属于一种较新的科学思维方法。孟德尔从传统生物学的描述或归纳方法，一下子接触到一整套全新的物理学方法，使他茅塞顿开，幡然觉醒，在探索自然规律的过程中又上了一个大台阶，有如魔术师掌握了点金术一样，他又多了一种探索大自然奥秘的法宝。后来著名的豌豆杂交实验及遗传学规律的获得，明显地反映这种新思维方式对他的影响。
除了多普勒教授外，他还跟数学、物理学家埃汀豪森及植物学家翁格尔学习过。埃汀豪森数理俱佳，孟德尔跟他学习“物理仪器的结构和使用”等课程，动手能力迅速增强，能制造极好的实验仪器。更重要的是1826年埃汀豪森出版了一本反映当时欧洲数学最新成就的《组合分析》，孟德尔跟随他学习了数理统计，使这位未来的遗传学家掌握了一般生物学家不可能掌握的先进数学知识及方法，使他有可能利用数理统计方法，看到一般生物学家看不到的更深层次的自然规律。他还向翁格尔学习到植物杂交可能形成变异，出现新种，使生物进化的观点。特别是翁格尔提出在生殖细胞中可能存在一些简单的因子或要素，由于它们的重新组合，可能形成植物新种的假说。他还和孟德尔全面仔细讨论过“融合论”的错误，为孟德尔提出遗传因子学说铺垫了重要的理论基础。翁格尔还在《植物学基础》中详细介绍了德国植物学家盖尔特纳《植物杂交试验与观察》一书中的最新成就，记述了各种植物进行杂交形成新种的原因和技术，特别是有关豌豆杂交实验所得性状分布的详情。孟德尔在老师指引下，仔细钻研了这些著作，并作了笔记和眉批，这本书到今天还保存在位于布尔诺的孟德尔纪念馆中，它的科学思想直接启发了孟德尔后来的豌豆杂交实验。
在维也纳大学，孟德尔争分夺秒地听了大量课程，包括生物学、动物学、果树学、昆虫学、植物学和化学等。他还结识了维也纳博物馆馆长、昆虫学家柯纳。柯纳介绍孟德尔参加了维也纳的动植物学会，指导他从事昆虫研究。
1853年，孟德尔的有关豌豆害虫的研究论文在维也纳《动植物学会会志》第三卷上发表。这是孟德尔发表的最早的科学论文。
孟德尔很清楚他的学习时间是很有限的，因此他要抓紧一切时间努力学习弥补自己的不足。虽然维也纳是欧洲最迷人的城市之一，她的歌剧院，她的圆舞曲是那样的美妙诱人，孟德尔却从未涉足。他无暇顾及，两年中所有的节假日都是在图书馆和宿舍中度过的。
当1853年秋来临之际，孟德尔自维也纳又返回布鲁恩。此时的孟德尔已经成长为一个训练有素的自然科学研究者。
§§§第3节探索遗传的秘密
回布鲁恩后，孟德尔在一所小学教了一冬天的宗教课。第二年5月，他应布鲁恩高等技术学校校长之邀，做代课教师，讲授物理学与生物学课程。从此以后，他一直在这个学校任教，长达20年之久。
孟德尔和这所学校的负责人札瓦德斯基相处非常融洽。后者曾担任利沃夫大学物理学和应用数学教授，并当过哲学系的主任，因被指控与1848年的学生起义有牵连被解职而来布鲁恩。札瓦德斯基兴趣非常广泛，从植物学、动物学、古生物学到进化论，他都进行过探讨。由于他的提名，孟德尔成为摩拉维亚农业协会自然科学分会的会员。
孟德尔的教学工作得到师生们的好评。他的工作并不轻松，因为班级大、人数多，有的班甚至超过百人。一年后，校长札瓦德斯基向上汇报时，称赞孟德尔工作出色，因为他能用简陋的设备，做出非常漂亮的物理学和博物学的演示实验。
1856年，孟德尔再赴维也纳参加教师资格考试。由于繁重的工作压力和不稳定的心理状态折磨着他，以致在笔试第一天就病倒了，只得退出考场回到布鲁恩。这次他病得很重，他的父亲安东和叔父从家里匆匆赶来探望他。
从这以后，孟德尔再也没参加过教师资格考试。大概他相信命中注定他一辈子只能做一个“客串教师”了。
在执教期间，孟德尔利用教学之余用豌豆种子做杂交实验。实验目的一方面受其老师翁格尔的启发，想解决植物形态及花色等性状如何传递的问题，另一方面是受修道院院长的指示寻求植物遗传的法则。
一天，孟德尔的挚友、布鲁恩高等技术学校大地测量学教授尼耶塞尔来到奥古斯丁修道院二楼孟德尔的寓所，他们像往常一样畅谈一番之后，孟德尔请他的朋友去参观自己的实验园地。他经常邀请友人到那里参观，向他们介绍自己的研究工作，征询他们的看法。
孟德尔和尼耶塞尔一起，走进一块狭长的、种满普通豌豆的园地。他指着这些豌豆，充满感情地向客人介绍道：“看，这些都是我的儿女！”
这是一块大约35米长，7米宽的狭窄而贫瘠的园地，早在20多年前就已开辟出来，一直用作修道院的植物试验场所。此外，修道院还有一间面积为22·7×4·5m2的玻璃育种室和一间14·8×3m2的温室。自1856年起，孟德尔在这里进行他的著名实验。
孟德尔向尼耶塞尔介绍了自己正在进行中的豌豆杂交试验，还谈了自己业已产生的一些对生物遗传问题的非常新鲜的想法。尼耶塞尔被他的叙述深深吸引住了，但又感到有一些惊奇：“一个天主教神父竟说出这种看法不是有点怪吗？而且，这些观点若被人们接受，岂不意味着像哥白尼那样带来了一场思想领域的革命？”
“不不，你这是以伟人比凡人。我非常钦佩哥白尼，但你不要忘记，他也是一个天主教神父，不过你说得对，我还得谨慎些才好。”
说完，他就送尼耶塞尔离开了修道院，接着就径直走向高等技术学校，来到朝气蓬勃的学生们中间，他们正等待衷心喜爱的老师的到来。
“我还得谨慎些才好。”事实上，孟德尔也是足够谨慎的。他在修道院的实验园地里，与自己的“儿女们”朝夕为伍，默默地、严谨地苦干了整整8个年头！
植物品种千千万万。为什么孟德尔如此钟情于豌豆呢？原因之一是他在维也纳大学学习期间曾深入地研究过豌豆蟓对豌豆的危害，进而对豌豆生长、发育、遗传特性有了更多了解。豌豆花是一种特殊的龙骨花，它的雄蕊和雌蕊都闭合在严密的花瓣中，不受风雨、蜜蜂等昆虫的干扰，可以保证自花及去雄后人工授粉的纯洁性。这是进行杂交试验最重要的条件，否则无法统计实验结果，将造成实验的彻底失效。而且豌豆易于栽培，生长期短，杂种完全可育，具有明显的可识别、易于区分的性状，是一种较理想的植物杂交实验材料。此外，孟德尔的前辈，英国园艺学家奈特、戈斯、塞顿等人都曾用豌豆做过杂交实验，观察到某些遗传规律。总之，孟德尔选择豌豆进行杂交实验并非完全出自他个人的爱好与灵感，而是继承与受惠于前辈科学家的实践。他之所以取得成功，是因为他比他的前辈具有更丰厚的交叉学科知识，更敏锐的观察能力，更深入完整的思考，这样的人才能够后来居上，青出于蓝而胜于蓝。
孟德尔的豌豆杂交实验历经4个阶段：第一阶段是培养具有性状相对稳定的良种；第二阶段是探索单个相对性状的遗传规律；第三阶段是探索两个及两个以上相对性状的遗传与变异规律；第四阶段是扩大到其他植物上以印证遗传规律。他种植了数千株豌豆植株，挑了近5万颗种粒，精心培育，细心统计。其规模之大，困难之多，在杂交实验方面确实是史无前例的。
首先，孟德尔必须确立豌豆的可明显区分的相对性状，并从众多的豌豆中培育出这种具有相对稳定性的品种才能确保实验的可靠性。他陆续从商人处购买了34个豌豆品种，经过2年试种，从中挑选出具有性状相对稳定的22个品种，为他的杂交实验提供可靠的基础。
实验的第二阶段，孟德尔又精心选择了可供实验的7组具有明显可区分相对性状的豌豆植株，作为杂交材料。这7组是：
子叶颜色黄色绿色开花位置腋部顶端茎的高度高茎矮茎豆荚形状饱满缢缩种皮颜色灰色白色种粒形状圆形皱形未熟豆荚颜色绿色黄色现在我们知道，孟德尔确立的这7种性状恰巧分别位于豌豆的七对染色体上，这固然属于偶然，但也充分说明了孟德尔观察的敏锐性。植株性状的确定，为孟德尔观察它们的遗传提供了条件。他将具有一对可区分性状的植株作为一组进行杂交，如高茎×矮茎、种粒圆形×种粒皱形等等。单独观察它们的遗传，而不是像他的前辈们那样笼统地观察植株全部性状的传递。
这样一来孟德尔就观察到：在所有7组实验中，杂种性状都类似于两个亲本中的一个，不表现为融合的中间形态。如圆形种粒同皱形种粒品种杂交，产生的杂种全为圆形种粒；红花植株与白花植株杂交，产生的杂种则全为红花植株。杂种（子一代）之间产生的后代（子二代）则发生性状分离现象：
两个亲本类型的性状同时表现出来，同样没有融合的中间状态。例如杂交后得出的红花植株相交后，红花、白花都出现了。孟德尔把在子一代中表现出来的性状叫作“显性”，把子一代中不表现而在子二代中表现的性状叫作“隐性”。这样，像前辈们一样，孟德尔也观察到了杂种的显性现象（孟德尔称之为“同一性”）和杂种后代性状的分离现象。但他没有停留在这一步。他进而分析了杂种后代性状的分离比率。例如在上述的杂交中，圆形种粒是5474颗，皱形种粒是1850颗，两者之比为2·96∶1，在929棵子二代豌豆植株中705棵为红花，224棵为白花，显性性状与隐性性状的个体比为3·05∶1。
其他的几对实验结果也很相似，显性性状与隐性性状之比都接近3∶1这个比率。
孟德尔很清楚，这个3∶1绝非是偶然的数字游戏，它反映了植物性状遗传的数量统计规律性，但是如何解释它呢？
当时，“融合遗传论”盛行，即认为对性状遗传起作用的是双亲的血液，子代所表现出来的性状是由父母融合或混合而成，子代的性状是双亲性状的折中。按照这种理论，双亲的不同特性在融合中会各自消失一部分，经数代之后，某些双亲的性状就会逐渐消失。孟德尔从杂交实验中否定了这种理论。
他认为翁格尔老师的颗粒遗传因子理论似乎更加正确些，它们在遗传过程中独立存在，互不融合可能更能说明遗传的事实。他也记起了多普勒老师以果推因的假说演绎法。他根据豌豆子一代完全出现的显性性状和子二代出现3∶1的分离性状和颗粒遗传因子的可能存在，以及数理统计规律，大胆地提出了自己的假说，即每一植株中，每一相对性状是各由两个相同的因子或颗粒决定的显性为CC，隐性为cc，在细胞中成对存在的特征，一来自父本，一来自母本，在形成配子时，成对的遗传分子彼此分离，分配到不同的配子中去，每个配子只有成对遗传因子中的一个。杂种一代的体细胞中的遗传因子则形成杂合子（Cc），遗传因子则有显性、隐性之分，但它们独立存在，互不干涉，表现出显性因子控制的性状。到杂种子二代，则由于隐性、显性因子相互分离，由于不同的组合，出现了显性及隐性性状，其分离比为3∶1。
孟德尔提出的假说与7种相对性状杂交实验的结果完全符合。但孟德尔并未就此止步。他是受过严格训练的科学家，假说只能解释实验事实，但不是最可靠的。这个假说如果正确，还必须以此作为普遍原理演绎出可实验的其他事实，并获得实验的证实，才能使这个假说更加有效。他又设计了豌豆的“回交”实验，进一步验证遗传因子在形成配子时彼此分离。回交实验的特点是利用杂种子一代与亲本之一进行交配，这个亲本既可以是隐性，也可是显性，但为了严格检测出遗传因子是否分离，用隐性亲本与之交配更能说明问题，这种以隐性亲本作交配的杂交实验又称“测交”。孟德尔利用回交中的测交实验，进一步验证了遗传因子在杂交过程中也是分离的。其预计结果子二代的红花与白花比为1∶1，实验结果证明了预计结果。
这样，孟德尔发现了一条重要的遗传学规律：当具有成对不同性状的植物杂交时，所生第一代杂种的性状都只与两个亲本中的一个相同，另一亲本的性状在杂种第一代隐而不显。而将杂种第一代再自相交配（白花授粉）时，所生后代（子二代）的性状就不再相同，而会发生分离，并且显性性状个体数与隐性性状个体数间呈一恒定比数——3∶1。这条规律，后来被人们称为“孟德尔第一定律”或“分离定律”。
接着，孟德尔开始了第三阶段的工作。他很清楚，植物的性状并非只有一个，而是多种性状并存，必须进一步探索两对及两对以上性状植物杂交的遗传规律。他又开始进行新的豌豆杂交实验。