Trước năm 1900 (trước khi Bateson chuyển sang hẳn lĩnh vực Di truyền học), ông nghiên cứu về các biến đổi liên quan tới cơ chế tiến hóa sinh học chủ yếu dưới ảnh hưởng của học thuyết chọn lọc tự nhiên mà Charles Darwin công bố năm 1859. Các kết quả theo hướng này tập trung trong cuốn "Materials for the study of variation" (Tài liệu nghiên cứu về biến dị) xuất bản năm 1894. Theo hướng này, ông đã cho tiến hành nhiều thí nghiệm lai giống trên cây trồng, trong đó có một số nghiên cứu cộng tác với Edith Rebecca Saunders. Vào khoảng đầu năm 1900, Carl Correns, Hugo De Vries và Erich Von Tschermak cũng đã tiến hành các thí nghiệm lai giống tương tự, dẫn đến "khám phá lại" quy luật Mendel sáu tháng sau đó.
Khi các quy luật Mendel được phát hiện lại, do tán thành các tư tưởng của Mendel, ông tổ chức một "trường học" không chính thức về di truyền học (school of genetics) ở Cambridge với sự tham gia của nhiều người, trong đó có Florence Margaret Durham, Hilda Blanche Killby (sau này đều là các nhà nữ Di truyền học đầu tiên ở đại học Cambridge).[7] Bateson trở nên nổi tiếng vì thẳng thắn phản đối các quan niệm chống lại Mendel, tuyên truyền và phổ biến học thuyết Mendel (hồi đó gọi là Mendelism), tham gia tích cực trong việc dịch thuật bài báo của Mendel sang tiếng Anh (Mendel's Paper in English)[8].
Ông là một trong những người thuộc nhóm "the friends of science" (những người bạn của khoa học) tổ chức quyên góp xây dựng tượng đài Mendel bằng đá cẩm thạch, khánh thành vào năm 1910 tại Brno.[9]
Bateson là người đầu tiên đề xuất sử dụng từ "di truyền" (từ tiếng Hy Lạp: γεννώ (gennō) nghĩa là "để sinh") mô tả khoa học nghiên cứu về kế thừa và biến dị vào năm 1905 (trong một bức thư cá nhân gửi Adam Sedgwick, ngày 18 tháng 4 năm 1905).[10]
Bateson còn là người đồng khám phá hiện tượng di truyền liên kết cùng với Reginald Punnett và Edith Rebecca Saunders, mặc dù giải thích không thoả đáng như Morgan sau đó (xem chi tiết ở trang gen liên kết). Ông và Punnett đã thành lập Tạp chí Di truyền (ở Anh), sử dụng thuật ngữ "epistasis" mô tả tác động tương hỗ giữa các gen cùng quy định một tính trạng, sau này gọi là hiện tượng tương tác gen.
Năm 1908, Bateson trở thành giáo sư sinh học tại Đại học Cambridge. Năm 1910, ông rời bỏ nhiệm vụ này, dành phần cuối đời đẻ viết sách và lãnh đạo Học viện John Innes tại Merton (thuộc London, sau này chuyển đến Norwich), biến nó thành một trung tâm nghiên cứu di truyền học.
