Las notables propiedades de los ácidos nucleicos, que califican a estas sustancias para servir como portadores de información genética, han reclamado la atención de muchos investigadores. El trabajo de base fue establecido por bioquímicos pioneros que descubrieron que los ácidos nucleicos son moléculas largas en forma de cadena, cuyas espinas dorsales consisten en secuencias repetidas de enlaces de fosfato y azúcar: azúcar ribosa en el ARN y azúcar desoxirribosa en el ADN. Unidos a los enlaces de azúcar en la columna vertebral hay dos tipos de bases nitrogenadas: purinas y pirimidinas. Las purinas son adenina (A) y guanina (G) tanto en el ADN como en el ARN; las pirimidinas son citosina (C) y timina (T) en el ADN y citosina (C) y uracilo (U) en el ARN. Una sola purina o pirimidina se une a cada azúcar, y toda la subunidad a base de fosfato-azúcar se llama nucleótido. Los ácidos nucleicos extraídos de diferentes especies de animales y plantas tienen diferentes proporciones de los cuatro nucleótidos. Algunos son relativamente más ricos en adenina y timina, mientras que otros tienen más guanina y citosina. Sin embargo, el bioquímico Erwin Chargaff descubrió que la cantidad de A siempre es igual a T, y la cantidad de G siempre es igual a C.

Con la aceptación general del ADN como base química de la herencia a principios de la década de 1950, muchos científicos centraron su atención en determinar cómo las bases nitrogenadas encajan entre sí para formar una molécula en forma de hilo. La estructura del ADN fue determinada por el genetista estadounidense James Watson y el biofísico británico Francis Crick en 1953. Watson y Crick basaron su modelo en gran medida en la investigación de los físicos británicos Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, que analizaron los patrones de difracción de rayos X para mostrar que el ADN es una doble hélice. Los hallazgos de Chargaff sugirieron a Watson y Crick que la adenina estaba de alguna manera emparejada con timina y que la guanina estaba emparejada con citosina.

Usando esta información, Watson y Crick crearon su ahora famoso modelo que muestra el ADN como una doble hélice compuesta de dos cadenas entrelazadas de nucleótidos, en las que las adeninas de una cadena están unidas a las timinas de la otra, y las guaninas de una cadena están unidas a las citosinas de la otra. La estructura se asemeja a una escalera que se ha retorcido en forma de espiral: los lados de la escalera se componen de grupos de azúcar y fosfato, y los peldaños se componen de las bases nitrogenadas emparejadas. Al hacer un modelo de alambre de la estructura, quedó claro que la única forma en que el modelo podía ajustarse a los requisitos de las dimensiones moleculares del ADN era si A siempre se emparejaba con T y G con C; de hecho, los pares A-T y G-C mostraban un ajuste satisfactorio de llave y cerradura. Aunque la mayoría de los enlaces en el ADN son enlaces covalentes fuertes, los enlaces A-T y G-C son enlaces de hidrógeno débiles. Sin embargo, los múltiples enlaces de hidrógeno a lo largo del centro de la molécula confieren suficiente estabilidad para mantener unidas las dos hebras.

Las dos hebras de doble hélice de Watson y Crick eran antiparalelas; es decir, los nucleótidos estaban dispuestos en orientación opuesta. Esto se puede visualizar si la forma de L de un nucleótido se imagina como un calcetín: el cuello del calcetín es la base nitrogenada, la punta del pie es el grupo fosfato y el talón es el grupo azúcar. La cadena de nucleótidos sería entonces una cadena de calcetines unidos del talón al dedo del pie, con los cuellos apuntando hacia el centro de la molécula de ADN. En un hilo, la disposición de la columna vertebral de fosfato de azúcar sería dedo del pie-talón-dedo del pie-talón y así sucesivamente, y en el otro hilo en la misma dirección, la disposición sería talón-dedo del pie-talón-dedo del pie. Químicamente, el talón es el extremo de hidroxilo de 3’y la punta es el extremo de fosfato de 5′. (Estos nombres se derivan de los átomos de carbono a través de los cuales se hace el enlace azúcar-fosfato. Por lo tanto, una hebra de ADN va de 5′ → 3′ (cinco primos a tres primos), mientras que la otra va de 3′ → 5′.

Watson y Crick notaron que su estructura de ADN propuesta cumplía dos características necesarias de una molécula hereditaria. En primer lugar, una molécula hereditaria debe ser capaz de replicarse para que la información pueda transmitirse a la siguiente generación; por lo tanto, Watson y Crick plantearon la hipótesis de que, si las dos mitades de la doble hélice podían separarse, podrían actuar como plantillas para la síntesis de dos hélices dobles idénticas. En segundo lugar, una molécula hereditaria debe contener información para guiar el desarrollo de un organismo completo; por lo tanto, Watson y Crick especularon que la secuencia de nucleótidos podría representar información codificada de este tipo. Investigaciones posteriores mostraron que sus especulaciones sobre ambos puntos eran correctas.