No pudo volver a estudiar sino hasta 1896[5]​[4]​ cuando, con 35 años, se matriculó en la Universidad de Stanford, donde completó su licenciatura en 1899, en el año 1900 completó los estudios de maestría y redactó su tesis doctoral Studies on Ciliate Infusoria, que fue su primer trabajo publicado y apareció en los Proceedings of the California Academy of Science.

Boveri estaba investigando el problema del papel de los cromosomas en la herencia y probablemente fue allí donde Stevens desarrolló un profundo interés en la materia.

En la época de las investigaciones de Nettie Stevens, tres eran las hipótesis principales para describir la forma en que un individuo se convierte en macho o en hembra: Hacia finales del siglo XIX y comienzos del XX, los investigadores estaban explorando la relación existente entre los cromosomas y la herencia.

Aunque el comportamiento de los cromosomas ya se había descrito y explicado, las especulaciones sobre su vínculo con la herencia mendeliana todavía permanecían sin confirmación experimental.

De hecho, la beca le fue concedida para investigar en concreto problemas relacionados con la determinación del sexo.

[6]​ En 1905, publicó su trascendental trabajo, titulado Studies in spermatogenesis with special reference to the "accessory chromosome",[7]​ resultado de una investigación sobre el escarabajo Tenebrio molitor.

Sus pesquisas la llevaron a estudiar la diferenciación celular en embriones y luego el análisis de los cromosomas.

Observando estos últimos, constató, en primer lugar, que los cromosomas existen como estructuras parejas en las células, en vez de largos bucles o hilos como muchos todavía sostenían, con lo que dio fin a un largo debate.

Parece pues innegable que los dos científicos llegaron a la misma conclusión de forma casi simultánea, pero con total independencia.

[12]​ Después de su muerte, Thomas H. Morgan publicó en la revista Science una extensa semblanza,[13]​ donde repasaba su trayectoria y las contribuciones más importantes y concluía: En 1994, se la incluyó en el National Women's Hall of Fame.