Cuốn sách Di truyền học và nguồn gốc các loài có hai vấn đề chính được giải quyết. Thứ nhất, sự hình thành loài là một vấn đề thực tiễn và phải được giải thích bằng thuyết tiến hóa. Trong tự nhiên, không có một quần thể nào có thể phân tách với quần thể khác chỉ bằng những biến dị nhỏ. Thay vào đó, thế giới tự nhiên được phân thành các loài mà mỗi loài đều sở hữu một tiềm năng biến đổi nhất định.Vấn đề thứ hai đó là tất cả các biến dị đều có thể được giải thích bởi các nguyên lý di truyền học.[8]:xxvi–xxvii

Ấn bản năm 1937 được chia thành chín chương, có nội dung được mô tả dưới đây.

Sự đa dạng của giới hữu cơ

Chương đầu tiên là sự phác họa tóm tắt những điểm chính của cuốn sách: Thuyết Tiến hóa giải thích các biến dị ở cấp độ cá thể, quần thể cũng như ở cấp độ các loài. Thuyết cũng giải thích được cách ly sinh sản đã diễn ra như thế nào.Và mục tiêu của Thuyết là phải giải thích được rằng tất cả các nguyên lý di truyền này có thể được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm.[8]:xxix

Đột biến gen

Chương thứ hai lập luận rằng các đột biến xảy ra thường xuyên, ngẫu nhiên không định hướng. Hầu hết các đột biến chỉ gây ra tác động nhỏ đến cơ thể nhưng chúng tác động đến tất cả các đặc điểm của sinh vật với các mức độ có nhau từ có lợi đến gây chết. Đột biến cung cấp nguồn nguyên liệu sơ cấp dồi dào cho chọn lọc tự nhiên.[8]:xxix

Đột biến là một cơ sở cho sự khác nhau giữa các giống, loài

Trong chương thứ ba, Dobzhansky đã chứng minh rằng các đột biến đã quan sát được trong phòng thí nghiệm thì cũng xảy ra trong tự nhiên, nơi mà chúng chịu tác động bởi tự nhiên chọn. Vì vậy, quá trình tiến hóa hình thành loài mới trong tự nhiên và trong phòng thí nghiệm không có sự khác biệt nhau về mặt bản chất.[8]:xxix–xxx

Sự biến đổi của Nhiễm sắc thể

Trong chương 4, Dobzhansky tiếp tục bàn về chủ đề tính liên tục giữa nghiên cứu phòng thí nghiệm và trong tự nhiên, theo đó những biến đổi về cấu trúc và số lượng nhiễm sắc thể xảy ra ở cả trong phòng thí nghiệm và trong tự nhiên. Ông đã chỉ ra rằng sự chuyển vị nhiễm sắc thể  là tái sắp xếp các đoạn,các phần trên nhiễm sắc thể, là cơ sở giải thích cho sự khác nhau giữa các thứ cà độc dược stramonium (jimson-weed). Đảo đoạn Nhiễm sắc thể, là cơ sở lý giải cho sự khác nhau ở loài ruồi giấm. Ông cũng cho thấy những hiệu ứng này chứng minh rằng các đoạn trên nhiễm sắc thể là những bộ phận có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.[8]:xxx

Biến dị trong các quần thể tự nhiên

Người ta đã thừa nhận rằng nguồn biến dị trong tự nhiên chính là các đột biến và sự sắp xếp lại các nhiễm sắc thể. Dobzhansky đã chú ý đến những kiểu dạng và cách thức duy trì của những đột biến này. Trong ấn bản đầu tiên của cuốn sách, ông coi biến động di truyền là một nhân tố cũng quan trọng như chọn lọc nhiên. Lấy một ví dụ, ông cho rằng biến động di truyền là cơ sở giải thích cho những biến dị được quan sát ở Partula, một loài ốc trên cạn, mặc dù những biến dị này không có ưu thế thích nghi. Ông cho rằng hầu hết các biến dị như thế được gọi là nòi vi địa lý và không mang tính thích nghi. Bởi vì các biến dị không phải lúc nào cũng chịu sự tác động của chọn lọc tự nhiên, cho nên chúng ta cần phải biết kích thước của một quần thể trước khi chúng ta có thể dự đoán động học tiến hóa của nó.[8]:xxxi

Chọn lọc

Chương thứ sáu thảo luận về bằng chứng của chọn lọc tự nhiên thu được từ những phân tích trong phòng thí nghiệm và quan sát từ thiên nhiên. Ông đã lưu ý đến ví dụ về hiện tượng ngụy trang chẳng hạn như trường hợp hóa melani công nghiệp của loài bướm đêm, và một số động vật chân khớp khác; chúng đã tiến hóa hình thành sắc tố sẫm màu hơn khi phơi nhiễm với môi trường có rất nhiều muội than công nghiệp. Ông đã bác bỏ một số hiểu lầm của những người theo quan điểm Mendel về hiệu quả của chọn lọc, đồng thời cũng bác bỏ những tư tưởng chọn lọc cực đoan của Fisher.[8]:xxxi–xxxii

Thể đa bội

Trong chương thứ bảy, Dobzhansky thảo luận về thể đa bội, một hiện tượng (phổ biến ở thực vật) mà sinh vật có nhiều hơn hai bộ nhiễm sắc thể.[9] (Ở người là cơ thể lưỡng bội, có một bộ nhiễm sắc thể từ mẹ và một bộ từ bố.) Ông thảo luận về trường hợp trước đây như ở chi  Raphanobrassica cũng gọi là Brassicoraphanus (xem trang Cải bắp lai cải củ Brassicoraphanus), một kết quả giữa lai cải củ với cải bắp. Đây là một ví dụ về sự hình thành loài theo kiểu "biến cố thảm họa", một trường hợp ngoại lệ so với quy luật chung mà ở đó, hình thành loài là một quá trình diễn ra chậm chạp.[10]:29

Các cơ chế cách ly

Cơ chế cách ly là một cơ chế ngăn cản các thành viên của hai loài khác nhau có thể sinh sản con cháu với nhau một cách thành công. Dobzhansky là người đặt ra thuật ngữ này,:xxxiii và trong chương thứ tám ông đã thảo luận về vai trò của cơ chế cách ly trong sự hình thành loài. Quan điểm của ông là một căn cứ xác đáng cho phép ông ấy xuất bản chúng thành một bài báo nổi tiếng.[11]. Mặc dù các tác giả trước đó đã nhận thức được tầm quan trọng của sự cách ly, tuy nhiên những lý do giải thích cho cơ chế cách ly của họ lại hoàn toàn khác với ông. George Romanes nghĩ rằng sự cách ly là một nguyên nhân của sự thay đổi, trong khi Dobzhansky nhận thấy hai hiệu quả cạnh tranh. Cách ly làm giảm tỷ lệ hình thành sự tái tổ hợp của các gen có hại, nhưng nó cũng hạn chế phạm vi của biến dị di truyền. Như vậy, giá trị thích nghi của một loài luôn giữ ở gần một đỉnh xác định trong phối cảnh thích hợp và sẽ không chuyển tới những giá trị đỉnh thích nghi mới.[10]:29–30

Dobzhansky trình bày một cách phân loại các cơ chế cách ly. Sự phân chia chủ yếu là giữa cơ thể lai bất thụ, mà ông sẽ thảo luận trong chương tiếp theo, và cơ chế ngăn cản các sinh vật giao phối. Chúng bao gồm cách ly địa lý và cách ly sinh thái. Sau khi hai quần thể biến đổi đủ khác biệt thì cơ chế cách ly về mặt "sinh lý" giúp ngăn chặn chúng giao phối với nhau, do đó chúng vẫn sẽ duy trì khác biệt ngay cả khi không còn cách ly về mặt tự nhiên nữa. Sự cách ly này là bước cuối của một quá trình liên tục bao gồm sự phân chia thành các nòi và có liên quan đến nhiều đột biến phức tạp.[10]:30–31

Tính bất thụ của con lai

Trong chương về cơ chế cách ly, Dobzhansky lấy làm tiếc về "thái độ hời hợt đến kinh ngạc" mà các nhà di truyền học đã dành cho cơ chế cách ly.[3]:254 Chỉ có cơ chế cách ly mà họ đã nghiên cứu đó là tính bất thụ ở con lai vì vậy ông đã dành chương thứ chín để phân tích một cách cụ thể, chi tiết về tổng quan tài liệu của chủ đề này.[8]:xxxiii–xxxiv