Die bemerkenswerten Eigenschaften der Nukleinsäuren, die diese Substanzen als Träger genetischer Information qualifizieren, haben die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen. Der Grundstein wurde von Pionierbiochemikern gelegt, die herausfanden, dass Nukleinsäuren langkettenartige Moleküle sind, deren Rückgrat aus wiederholten Sequenzen von Phosphat— und Zuckerbindungen besteht – Ribosezucker in RNA und Desoxyribosezucker in DNA. An den Zuckerverbindungen im Rückgrat sind zwei Arten von stickstoffhaltigen Basen befestigt: purine und Pyrimidine. Die Purine sind Adenin (A) und Guanin (G) in DNA und RNA; die Pyrimidine sind Cytosin (C) und Thymin (T) in DNA und Cytosin (C) und Uracil (U) in RNA. An jeden Zucker ist ein einzelnes Purin oder Pyrimidin gebunden, und die gesamte Phosphat-Zucker-Base-Untereinheit wird als Nukleotid bezeichnet. Die aus verschiedenen Tier- und Pflanzenarten extrahierten Nukleinsäuren weisen unterschiedliche Anteile der vier Nukleotide auf. Einige sind relativ reich an Adenin und Thymin, während andere mehr Guanin und Cytosin enthalten. Der Biochemiker Erwin Chargaff fand jedoch heraus, dass die Menge an A immer gleich T und die Menge an G immer gleich C ist.

Mit der allgemeinen Akzeptanz der DNA als chemische Grundlage der Vererbung in den frühen 1950er Jahren wandten sich viele Wissenschaftler der Bestimmung zu, wie die stickstoffhaltigen Basen zusammenpassen, um ein fadenförmiges Molekül zu bilden. Die Struktur der DNA wurde 1953 vom amerikanischen Genetiker James Watson und dem britischen Biophysiker Francis Crick bestimmt. Watson und Crick stützten ihr Modell weitgehend auf die Forschungen der britischen Physiker Rosalind Franklin und Maurice Wilkins, die Röntgenbeugungsmuster analysierten, um zu zeigen, dass DNA eine Doppelhelix ist. Die Ergebnisse von Chargaff schlugen Watson und Crick vor, dass Adenin irgendwie mit Thymin und Guanin mit Cytosin gepaart war.Unter Verwendung dieser Informationen entwickelten Watson und Crick ihr heute berühmtes Modell, das DNA als Doppelhelix zeigt, die aus zwei ineinander verschlungenen Nukleotidketten besteht, in denen die Adenine einer Kette mit den Thyminen der anderen und die Guanine der einen Kette mit den Cytosinen der anderen verknüpft sind. Die Struktur ähnelt einer Leiter, die spiralförmig verdreht wurde: Die Seiten der Leiter bestehen aus Zucker- und Phosphatgruppen, und die Sprossen bestehen aus den gepaarten stickstoffhaltigen Basen. Durch die Erstellung eines Drahtmodells der Struktur wurde klar, dass das Modell nur dann den Anforderungen der molekularen Dimensionen der DNA entsprechen konnte, wenn A immer mit T und G mit C gepaart war. Obwohl die meisten Bindungen in der DNA starke kovalente Bindungen sind, sind die A-T- und G-C-Bindungen schwache Wasserstoffbrückenbindungen. Jedoch verleihen mehrfache Wasserstoffbrückenbindungen entlang der Mitte des Moleküls genügend Stabilität, um die zwei Stränge zusammen zu halten.

Die beiden Stränge der Doppelhelix von Watson und Crick waren antiparallel; das heißt, die Nukleotide waren in entgegengesetzter Orientierung angeordnet. Dies kann visualisiert werden, wenn man sich die L-Form eines Nukleotids als Socke vorstellt: Der Hals der Socke ist die stickstoffhaltige Base, die Zehe ist die Phosphatgruppe und die Ferse ist die Zuckergruppe. Die Nukleotidkette wäre dann eine Reihe von Socken, die von der Ferse bis zur Zehe befestigt sind, wobei die Hälse nach innen in Richtung der Mitte des DNA-Moleküls zeigen. In einem Strang wäre die Anordnung des Zucker-Phosphat-Rückgrats Zehe-Zehe-Zehe-Zehe und so weiter, und in dem anderen Strang in der gleichen Richtung wäre die Anordnung Zehe-Zehe-Zehe-Zehe. Chemisch gesehen ist die Ferse das 3′-Hydroxyl-Ende und die Zehe das 5′-Phosphat-Ende. (Diese Namen leiten sich von den Kohlenstoffatomen ab, durch die die Zucker-Phosphat-Verknüpfung hergestellt wird.) Daher läuft ein DNA-Strang von 5’→ 3′ (fünf Primzahlen zu drei Primzahlen), während der andere von 3’→ 5′ läuft.Watson und Crick stellten fest, dass ihre vorgeschlagene DNA-Struktur zwei notwendige Merkmale eines Erbmoleküls erfüllte. Erstens muss ein erbliches Molekül replikationsfähig sein, damit die Information an die nächste Generation weitergegeben werden kann; daher stellten Watson und Crick die Hypothese auf, dass die beiden Hälften der Doppelhelix, wenn sie sich trennen könnten, als Vorlagen für die Synthese zweier identischer Doppelhelices dienen könnten. Zweitens muss ein erbliches Molekül Informationen enthalten, um die Entwicklung eines vollständigen Organismus zu steuern; Daher spekulierten Watson und Crick, dass die Sequenz von Nukleotiden codierte Informationen dieser Art darstellen könnte. Nachfolgende Untersuchungen zeigten, dass ihre Spekulationen zu beiden Punkten korrekt waren.