a nukleinsavak figyelemre méltó tulajdonságai, amelyek ezeket az anyagokat genetikai információ hordozóiként minősítik, sok kutató figyelmét igényelték. Az alapot pioneer biokémikusok fektették le, akik megállapították, hogy a nukleinsavak hosszú láncszerű molekulák, amelyek gerincei foszfát—és cukorkapcsolatok ismétlődő szekvenciáiból állnak-ribózcukor RNS-ben és dezoxiribózcukor DNS-ben. A gerincben lévő cukorkapcsolatokhoz kétféle nitrogénbázis tartozik: purin és pirimidin. A purinok az adenin (a) és a guanin (g) mind a DNS-ben, mind az RNS-ben; a pirimidinek a citozin (C) és a timin (t) a DNS-ben, valamint a citozin (C) és az uracil (U) az RNS-ben. Minden cukorhoz egyetlen purin vagy pirimidin kapcsolódik, a teljes foszfát-cukor-bázis alegységet nukleotidnak nevezik. A különböző állat-és növényfajokból kivont nukleinsavak aránya a négy nukleotidtól eltérő. Néhány viszonylag gazdag adenin és timin, míg mások több guanin és citozin. Erwin Chargaff biokémikus azonban megállapította, hogy az a mennyisége mindig egyenlő T-vel, és a G mennyisége mindig egyenlő C.

A DNS általános elfogadásával az öröklődés kémiai alapjaként az 1950-es évek elején sok tudós felhívta a figyelmet annak meghatározására, hogy a nitrogénbázisok hogyan illeszkednek egymáshoz, hogy szálszerű molekulát alkossanak. A DNS szerkezetét James Watson amerikai genetikus és Francis Crick Brit biofizikus határozta meg 1953-ban. Watson és Crick modelljüket nagyrészt a brit fizikusok, Rosalind Franklin és Maurice Wilkins kutatására alapozták, akik röntgendiffrakciós mintákat elemeztek annak bizonyítására, hogy a DNS kettős spirál. Chargaff megállapításai arra utaltak Watsonnak és Cricknek, hogy az adenin valahogy párosul a timinnel, és hogy a guanint citozinnal párosították.

Ezen információk felhasználásával Watson és Crick előálltak a ma már híres modelljükkel, amely a DNS-t kettős spirálként mutatja be, amely két összefonódó nukleotidláncból áll, amelyekben az egyik lánc adeninjai a másik timinjaihoz kapcsolódnak, az egyik láncban lévő guaninok pedig a másik citozinjaihoz kapcsolódnak. A szerkezet egy spirál alakúra csavart létrához hasonlít: a létra oldalai cukor-és foszfátcsoportokból állnak, a lépcsők pedig párosított nitrogénbázisokból állnak. A szerkezet drótmodelljének elkészítésével világossá vált, hogy a modell csak akkor képes megfelelni a DNS molekuláris dimenzióinak követelményeinek, ha a mindig párosul T-vel és G-vel C-vel; valójában az A-T és G-C Párok kielégítő zár-és kulcs illeszkedést mutattak. Bár a DNS-ben lévő kötések többsége erős kovalens kötések, az A-T és G-C kötések gyenge hidrogénkötések. Azonban a molekula közepe mentén többszörös hidrogénkötések elegendő stabilitást biztosítanak a két szál egymáshoz tartásához.

A Watson és Crick kettős hélixének két szála antiparallel volt, vagyis a nukleotidok ellentétes irányban voltak elrendezve. Ez akkor jeleníthető meg, ha egy nukleotid l alakja zokni: a zokni nyaka a nitrogénbázis, a lábujj a foszfátcsoport, a sarok pedig a cukorcsoport. A nukleotid lánc ezután egy zoknitartó, amely a lábujjhoz csatlakozik, a nyakok befelé mutatnak a DNS-molekula közepe felé. Az egyik szálon a cukor-foszfát gerincének elrendezése a lábujj-lábujj-sarok stb., a másik szálon pedig ugyanabban az irányban lenne a sarok-Lábujj-lábujj. Kémiailag a sarok a 3 ‘- hidroxil vég, a lábujj pedig az 5 ‘ – foszfát vég. (Ezek a nevek a szénatomokból származnak, amelyeken keresztül a cukor-foszfát kapcsolat létrejön.) Ezért az egyik DNS-szál 5′ → 3′ – tól (öt prímtől három prímig) fut, míg a másik 3′ → 5’ – től fut.

Watson és Crick megjegyezte,hogy a javasolt DNS-szerkezetük egy örökletes molekula két szükséges tulajdonságát teljesítette. Először is, egy örökletes molekulának képesnek kell lennie a replikációra, hogy az információ továbbadható legyen a következő generációnak; ezért Watson és Crick feltételezték, hogy ha a kettős hélix két fele elválasztható, akkor sablonként működhetnek két azonos kettős hélix szintéziséhez. Másodszor, egy örökletes molekulának információkat kell tartalmaznia a teljes szervezet fejlődésének irányításához; ezért Watson és Crick azt feltételezték, hogy a nukleotidok szekvenciája ilyen kódolt információkat jelenthet. A későbbi kutatások azt mutatták, hogy mindkét pontra vonatkozó spekulációik helyesek voltak.