Năm 1905, William Bateson, Edith Rebecca Saunders và Reginald Punnett đã phát hiện một số ngoại lệ không tuân theo quy luật Mendel mới được phát hiện lại cách đó không lâu. Trong đó nổi bật là thí nghiệm trên cây đậu thơm: Cây PpLl tự thụ phấn không sinh ra kiểu hình phân li theo tỉ lệ 9:3:3:1, mà lại là xấp xỉ 14:1:1:3. Đây là thí nghiệm đầu tiên đề cập tới tái tổ hợp, nhưng họ đã giả thuyết rằng các gen P/p và L/l là "cặp đôi" với nhau (xem chi tiết ở trang Gen liên kết).
Sau đó, vào khoảng năm 1910 - 1915, Thomas Hunt Morgan đã phát hiện và giải thích cơ chế đó là do gen hoán vị. Trong quá trình này, đoạn nhiễm sắc thể mang các gen trên cặp nhiễm sắc thể không chị em đã đổi chỗ cho nhau. Nghĩa là đoạn nhiễm sắc thể này chuyển vị sang vị trí tương ứng trên nhiễm sắc thể kia và ngược lại, do đó sự trao đổi "có đi, có lại" giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng, tạo ra biến dị "tái tổ hợp" (hình 1).
Bởi thế, xuất hiện thuật ngữ tái tổ hợp tương đồng để chỉ bản chất tế bào học của hiện tượng này là trao đổi vật chất di truyền (mà mãi sau này mới xác định chính xác là ADN) giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng với nhau.
Vào khoảng cuối những năm 1940, Harriet Creighton và nhất là Barbara McClintock đã chứng minh chi tiết hơn sự trao đổi chéo xảy ra trong quá trình giảm phân ở nhiều loài sinh vật nhân thực.[6]
Đến năm 1947, nhà vi sinh vật học Joshua Lederberg (hình 2) đã chứng minh vi khuẩn cũng có khả năng giống như sinh sản hữu tính, trong đó có tái tổ hợp gen và đã giành giải Nobel năm 1958.[7]
Thời gian tiếp theo là những công trình nghiên cứu về tái tổ hợp ở cấp độ phân tử, trong đó sớm nhất là mô hình của Robin Holliday (1964) dựa trên các nghiên cứu của mình về tái tổ hợp ở nấm (Fungi) và mô hình DSBR của Jack Szostak và cộng sự (1983) v.v. Xem chi tiết hơn ở phần dưới.
