DNA는 이중나선 구조이다.

1952년 허시-체이스 실험으로 대부분의 생물학자들이 DNA가 유전정보를 보관하는 물질이라는 확신이 서자 DNA 구조를 밝혀 이것이 어떻게 유전현상을 만들어내는지 알아내려는 경쟁이 시작되었다. 이 당시 이미 핵산의 구조를 이루는 공유결합에 대해서는 잘 알려져 있었으므로 DNA의 3차원 구조를 밝히기 위한 연구가 집중적으로 이루어졌다. DNA의 3차원 구조를 밝히기 위한 연구가 집중적으로 이루어졌다. DNA의 3차원적 구조를 밝히는 데 처음으로 성공한 과학자는 그 당시에는 비교적 잘 알려지지 않았떤 미국인 왓슨과 크릭이다. DNA 구조를 밝히기 위한 왓슨과 크릭의 짧지만 경탄할 만한 협력연구는 당시 23세였던 그곳에서 X-선 결정학 기술로 단백질 구조를 연구하던 크릭을 만나면서 시작되었다. 왓슨은 런던 왕립대학의 윌킨스를 방문했을 당시 윌킨스의 동료인 프랭클린이 만든 DNA의 X-선 결정 구조 그림을 보았다. 이 사진을 세밀하고 분석한 결과 왓슨은 DNA의 기본 모양이 2nm의 균일한 직경을 갖고 있으며 염기는 약1/3 nm 정도씩 간격을 두고 쌓여 있는 나선 구조임을 추정할 수 있었다. 나선의 직경으로 보아 나선은 두개의 폴리뉴클레오티드 가닥으로 이루어진 이중나선(double helix)임이 추정되었다.

왓슨과 크릭은 철사를 이용해 플랭클린의 데이터와 그때까지 알려졌던 DNA의 화학적 성질을 모두 만족시킬 수 있는 이중나선 구조를 만들기 시작했다. 이들은 당-인산 축이 이중나선의 바깥쪽에 위치하여 염기는 안쪽을 향해 있어야 한다는 결론을 내렸다. 그렇다면 염기는 어떤 방식으로 이중나선의 안쪽에 배열되어 있는 것일까? 처음에 왓슨과 크릭은 같은 염기끼리, 즉 A는 A와 C는 C와 짝을 지을 것이라고 생각 했으나 이런 식으로 염기들이 결합할 경우 DNA 분자의 직경이 균일하다는 X-선 데이터를 만족시킬 수 없었다. 즉 A와 A가 결합(이중고리를 갖는 염기끼리의 결합)을 하면 C와 C가 결합했을 때보다 폭이 거의 두 배만큼 넓어져서 DNA 분자가 불룩 튀어나오게 되는 것이다. 따라서 이중고리인 염기(퓨린)는 반대편 DNA 가닥에 있는 단일고리 염기(피리미딘)와 결합해야 한다는 것이 분명해졌다. 뿐만 아니라 왓슨과 크릭은 각각의 염기가 쌍을 이룰 때는 각 염기의 구조가 결정적인 역할을 한다는 사실도 알아냈다. 앞 절에서 다루었듯이, 각 염기는 작용기가 6원자 고리에서 튀어나와 있고 이들은 적절한 짝과 적절한 수소결합을 이룰 수 있게 된다. 아데닌은 티민과 그리고 구아닌은 시토신과 수소결합을 가장 잘 형성한다. 생물학자들은 간략하게 A는 T와 결합하고 G는 C와 결합한다고 말하며, 이때 A는 T에 상보적이고 G는 C에 상복적이라고 한다. 왓슨과 크릭의 염기쌍 형성 이론은 그 당시 알려진 DNA의 물리적 특성이나 화학결합 방식에 부합하였을 뿐만 아니라, 그로부터 몇 년 전 미국의 생화학자인 샤기프가 밝혀낸 결과와도 잘 일치하였다. 샤가프는 모든 생물종의 DNA 에 존재하는 아데닌의 양은 티민의 양과 같으며 구아닌의 양은 시토신의 양과 같다는 소위 샤가프의 법칙으로 불리는 이 법칙을 발견하였는데, 이는 한 쪽 폴리뉴클레오티드 사슬의 A는 다른 쪽 사슬에 있는 T에만 결합하고, 한 쪽 사슬에 있는 G는 다른 쪽 사슬에 있는 C에만 결합한다면 잘 설명되는 것이었다. 왓슨과 크릭이 제안한 DNA 이중나선 모델은 실에 나무판을 가진 줄사다리가 나선형으로 꼬인 모형으로 상상해볼 수 있다. 양 옆의 줄은 당-인산 축이며 가로 판은 수소결합으로 연결된 질소 염기쌍을 나타낸다. 왼쪽의 리본처럼 나타낸 그림에 있는 염기 모양은 염기와 염기간의 상보성을 강조하기 위한 그림이다. 하나의 염기는 단 하나의 다른 염기에만 맞추어 지는 것을 주목하라. 중앙에 있는 그림은 네 종류의 염기쌍을 원자 수준에서 보여주고 있다. 나선은 꼬이지 않은 상태로 표현하고 염기쌍 간에 형성되는 수소결합을 점선으로 보여주고 있다. A-T 염기쌍은 두 개의 수소결합을 형성할 수 있는 작용기를 가지는데 반해 C-G 염기는 세 개의 수소결합을 형성할 수 있는 작용기를 가지고 있음에 주목하라 이 차이가 의미하는 것은 C-G 염기쌍이 A-T 염기쌍보다 좀 더 강한 결합이라는 것이다. 이렇게 이중나선을 구성하는 두 개의 당-인산 축이 서로 반대방향을 향하고 있음을 볼 수 있다. 왓슨-크릭의 염기쌍 형성법칙은 이중나선의 가로 판을 이루는 질소 염기 간의 조합을 결정하지만 DNA 가닥의 염기서열에는 제한을 두지 않는다. 사실상 염기서열은 셀 수 없을 정도로 다양하며 결과적으로 각각의 유전자는 도특한 뉴클레오티드 혹은 염기 순서를 가지고 있다. 왓슨과 크릭의 모델은 유전자와 염색체 그리고 염색체 이론에 새로운 의미를 부여했다. DNA 구조를 완전히 이해를 하게 됨에 따라 염색체 내의 유전정보가 뉴클레오티드서열로 기호화 되어야 한다는 사실도 알려졌다. 왓슨-크릭 모델의 의의는 이를 이용해 유전현상을 분자 수준에서 이해할 수 있게 되었다는데 있다.