[[Berkas:NHGRI human male karyotype.png|jmpl|23 pasang kromosom pria.|kiri]]
Pada tahun 1921, [[Theophilus Painter]] secara tidak sengaja menemukan cara untuk mengamati dan menghitung jumlah kromosom pada manusia. Dia mengamati sel testis dari dua pria kulit hitam yang meminta dikebiri dengan cara membuat sayatan tipis dan diproses dengan larutan kimia. Setelah diamati di bawah [[mikroskop]], Painter menemukan adanya serabut-serabut kusut yang ternyata adalah kromosom tak berpasangan pada sel [[Testis|sel testis]] dan jumlahnya 24 pasang. Selama hampir 30 tahun, para ilmuwan menyakini temuan tersebut dan mereka juga melakukan penghitungan dengan cara lain yang juga mendapatkan hasil 24 pasang kromosom manusia.
Pada 22 Desember 1955, Joe menghasilkan suatu penemuan secara kebetulan ketika dia sedang memisahkan kromosom dari [[Inti sel|inti sel (nukleus)]] sejumlah sel. Dia mencoba mengembangkan suatu teknik untuk memisahkan kromosom di preparat (''slide'') kaca. Ketika preparat tersebut diamati di bawah [[mikroskop]], dia menemukan hasil yang mengejutkan, yaitu terdapat 46 kromosom (23 pasang) pada jaringan embrionik paru-paru manusia. Joe kemudian menuliskan temuannya dalam Scandinavian journalJournal Hereditas, pada 26 JanuaryJanuari 1956. Pada masa itu, merupakan suatu kewajiban di Eropa untuk menuliskan nama kepala lablaboratorium sebagai penulis utama sebagai pengakuan/penghormatan atas bimbingan dan dukungan yang diberikan lablaboratorium tersebut, namun Tjio menolak untuk melakukannya. Dia mengancam akan membuang karyanya bila tidak ditempatkan sebagai penulis utama pada jurnal terhadap temuan tersebut hingga akhirnya nama Tjio tercantum sebagai penulis utama (''first author''), sedangkan Albert Levan sebagai penulis pendamping (''co-author'').<ref name="sb" />
Teknik yang dikembangkannya untuk pengamatan kromosom pada manusia merupakan salah satu temuan besar di bidang sitogenetika (cabang [[Genetika|ilmu genetika]] yang mempelajari hubungan antara [[hereditas]] dengan variasi dan struktur kromosom). Tjio membantu pengembangan sitogenetika menjadi salah satu bidang penting dalam bidang medis pada tahun 1959 seiring dengan penemuan kromosom tambahan pada penderita [[sindrom down]] yang menghasilkan. Dia menunjukkan bahwa ada kaitan antara kromosom abnormal dengan penyakit tertentu.<ref name="g" />
