Souvent, pour la caractérisation d'une maladie, on recherche quelle part y prend l'environnement, et la génétique. Certaines maladies sont uniquement liées à l'environnement (varicelle), et d'autres entièrement au génotype (maladie de Huntington). D'autres maladies sont dépendantes des deux composantes à des degrés divers (récemment il a été découvert une cause génétique à l'autisme). Il existe plusieurs méthodes pour déterminer si une maladie est d'origine génétique: on étudie des pedigres, pour essayer de mettre en évidence une agrégation familiale de la maladie, signe de la transmission de l'allèle morbide au sein de la famille. Si la fréquence d'apparition de la maladie est plus élevé dans la famille que dans la population générale, ceci traduit une cause génétique. Lorsqu'on soupçonne fortement la maladie d'avoir une origine génétique, on essaye de localiser le gène responsable (étude de liaison avec des marqueurs génétiques: microsatellites ou SNP). Une fois le gène isolé et caractérisé, on peut étudier l'allèle délétère. La détection du génotype d'un individu, lors d'un diagnostic prénatal par exemple, permet d'estimer la probabilité qu'un individu développe une maladie, et de mettre en place précocement un traitement approprié.
L'existence de plusieurs allèles d'un même gène est le fruit de mutations. Un gène code un produit (ARN ou protéine) qui a une fonction dans l'organisme. La séquence de ce gène n'est pas contrainte pour toutes les bases qui la composent, aussi certaines mutations dites "silencieuses" peuvent survenir sans provoquer d'altérations du fonctionnement du produit de ce gène. L'allèle ainsi créé (il est bien différent de l'allèle duquel il dérive, c'est donc un nouvel allèle) se propage dans la population par un mécanisme nommé dérive génétique. Parfois cette mutation rend le produit du gène plus efficace, ce qui confère un avantage sélectif à l'organisme qui porte cet allèle. S'il est avantagé par rapport aux autres membres de la population, il aura tendance à survivre plus longtemps, et donc à transmettre plus ses gènes : il y a donc sélection positive de cet allèle, et il se propage dans la population plus rapidement que par dérive génétique. Et en dernier lieu, cette mutation peut être délétère pour le fonctionnement du produit du gène, et est généralement contre-sélectionnée si son effet s'exprime, et nuit à l'organisme. En revanche, si cette mutation inactive l'allèle, le second allèle fonctionnel peut suffire à conserver un phénotype normal. Cette mutation est appelée récessive, car elle n'a pas d'incidence sur le phénotype à l'état hétérozygote. Elle peut donc se propager par dérive génétique. Cependant, quand deux individus porteurs de cet allèle délétère se reproduisent, ils peuvent tous les deux donner l'allèle muté (1 chance sur 4), ce qui provoquera un phénotype malade chez l'enfant.
Lors de la transgénèse, l'organisme receveur est capable d'exploiter l'information génétique détenue par le transgène (gène transféré). En effet, cet organisme va exprimer le caractère contrôlé par ce transgène : l'information génétique est inscrite dans l'ADN de ce transgène selon un mode universel.
Chez les plantes, qui ne disposent pas de système immunitaire à base d'anticorps comme les humains, plusieurs génotypes différents peuvent « cohabiter » sans problème pour former un même individu. C'est pourquoi on peut greffer des plantes sans souci, alors qu'une lutte médicamenteuse continue est impérative pour assurer le maintien d'une greffe humaine et empêcher le rejet.
Ainsi, chez les plantes, il est courant que des mutations de bourgeons ou des infections virales modifient une partie du patrimoine génétique. Ce phénomène a été et est toujours à l'origine de sélection de cultivars très intéressants : poire Williams rouge par exemple ou espèces panachées (souvent d'origine virale).