de anmärkningsvärda egenskaperna hos nukleinsyrorna, som kvalificerar dessa ämnen för att fungera som bärare av genetisk information, har hävdat många utredares uppmärksamhet. Grunden lades av pionjärbiokemister som fann att nukleinsyror är långa kedjelika molekyler, vars ryggrad består av upprepade sekvenser av fosfat—och sockerbindningar-ribossocker i RNA och DEOXIRIBOSSOCKER i DNA. Bifogat till sockerlänkarna i ryggraden finns två typer av kvävebaser: puriner och pyrimidiner. Purinerna är adenin (a) och guanin (G) i både DNA och RNA; pyrimidinerna är cytosin (C) och tymin (t) i DNA och cytosin (C) och uracil (U) i RNA. En enda purin eller pyrimidin är fäst vid varje socker, och hela fosfat-sockerbasunderenheten kallas en nukleotid. Nukleinsyrorna extraherade från olika arter av djur och växter har olika proportioner av de fyra nukleotiderna. Vissa är relativt rikare på adenin och tymin, medan andra har mer guanin och cytosin. Det konstaterades emellertid av biokemisten Erwin Chargaff att mängden A alltid är lika med T och mängden G är alltid lika med C.

med den allmänna acceptansen av DNA som den kemiska grunden för ärftlighet i början av 1950-talet vände många forskare sin uppmärksamhet på att bestämma hur kvävebaserna passar ihop för att utgöra en trådliknande molekyl. DNA-strukturen bestämdes av amerikansk genetiker James Watson och brittisk biofysiker Francis Crick 1953. Watson och Crick baserade sin modell till stor del på forskning från brittiska fysiker Rosalind Franklin och Maurice Wilkins, som analyserade Röntgendiffraktionsmönster för att visa att DNA är en dubbel helix. Resultaten av Chargaff föreslog Watson och Crick att adenin på något sätt parades ihop med tymin och att guanin parades ihop med cytosin.

med hjälp av denna information kom Watson och Crick fram med sin nu kända modell som visar DNA som en dubbel helix bestående av två sammanflätade kedjor av nukleotider, där adeninerna i en kedja är kopplade till den andra tyminerna och guaninerna i en kedja är kopplade till den andra cytosinerna. Strukturen liknar en stege som har vridits i spiralform: stegens sidor består av socker-och fosfatgrupper, och stegpinnarna består av de parade kvävebaserna. Genom att göra en trådmodell av strukturen blev det klart att det enda sättet modellen kunde överensstämma med kraven i DNA: s molekylära dimensioner var om A alltid parat med T och G med C; faktiskt visade a-t-och G-C-paren en tillfredsställande lås-och-nyckelpassning. Även om de flesta bindningarna i DNA är starka kovalenta bindningar, är A-T-och G-C-bindningarna svaga vätebindningar. Flera vätebindningar längs molekylens centrum ger emellertid tillräcklig stabilitet för att hålla de två strängarna ihop.

de två strängarna av Watson och Cricks dubbla helix var antiparallella; det vill säga nukleotiderna arrangerades i motsatt riktning. Detta kan visualiseras om L-formen på en nukleotid föreställs vara en strumpa: strumpans hals är den kvävehaltiga basen, tån är fosfatgruppen och hälen är sockergruppen. Nukleotidkedjan skulle då vara en sträng strumpor fästa häl till tå, med halsarna som pekar inåt mot mitten av DNA-molekylen. I en sträng skulle arrangemanget av sockerfosfatryggen vara tå-häl-tå-häl och så vidare, och i den andra strängen i samma riktning skulle arrangemanget vara häl-tå-häl-tå. Kemiskt är hälen 3 ’- hydroxyländen och tån är 5’-fosfatänden. (Dessa namn härrör från kolatomerna genom vilka sockerfosfatbindningen görs.) Därför går en DNA-sträng från 5 ’kubi 3′ (fem prime till tre prime), medan den andra löper från 3’kubi 5’.Watson och Crick noterade att deras föreslagna DNA-struktur uppfyllde två nödvändiga egenskaper hos en ärftlig molekyl. Först måste en ärftlig molekyl kunna replikera så att informationen kan vidarebefordras till nästa generation; därför antog Watson och Crick att om de två halvorna av dubbelhelixen kunde separera, kunde de fungera som mallar för syntesen av två identiska dubbla helixer. För det andra måste en ärftlig molekyl innehålla information för att styra utvecklingen av en komplett organism; därför spekulerade Watson och Crick att sekvensen av nukleotider kan representera kodad information av detta slag. Efterföljande forskning visade att deras spekulationer på båda punkterna var korrekta.