DNA和RNA的發現似乎並沒有掀起多少波瀾，因為它們的發現者們並沒有能夠很好地說明DNA和RNA與生物遺傳基因究竟有什麼關係。直到19M年以前，人們還認為，蛋白質才是生命體內主要的遺傳物質。
1944年，美國科學家埃弗雷設計了一個很巧妙的實驗，間接證實了DNA就是那個被遺傳學家們找了很久的基因物質，在DNA身上帶有生命的遺傳秘密指令。埃弗雷用的實驗材料是肺炎球菌。肺炎球菌有兩種，一種能致病，表面光滑，稱為S型；另一種不能致病，表面粗糙，稱為R型。早在1928年，人們就已經發現將殺死了的S型肺炎球菌和活著的R型肺炎球菌一起注入小鼠體內仍會致病，從而說明S型肺炎球菌中存在著某種物質能使R型菌轉化成具有致病能力的肺炎球菌。這一結論給了埃弗雷不小的啟發，他將S型菌粉碎後，提純其體內的各種物質，獲得了純度很高的糖類、脂類、蛋白質和核酸等，將這些物質分別與R型菌進行混合培養，發現只有和核酸混合培養的R型菌才能轉變為具有致病能力的細菌。由此可見，核酸才是主要的遺傳物質。後來，又有科學家發現，RNA也是一個攜帶遺傳秘密的基因物質。
1951－1952年，美國科學家赫爾希和德爾布呂克通過對噬菌體的研究，進一步證實了埃弗雷的觀點。噬菌體是能吃細菌的物體，這種物體離開了細胞是一種無生命的物體，而一旦進入細胞，就具有生物體新陳代謝、繁衍後代等一切特性。赫爾希和德爾布呂克選擇了一種專食大腸桿菌的噬菌體，外形像絨科，有短而粗的頭和一條尾巴。當這種噬菌體遇到大腸桿菌時，先把尾巴搭住細菌並在細菌身上打開一個孔，然後把自己體內的物質通過小孔注入細菌體內，隨後，數以千計的噬菌體形成了，細菌也破裂了。噬菌體的外殼是蛋白質，而內容物只有DNA。噬菌體把自己的DNA注入到細菌體內生出了小噬菌體就證明了DNA具有指導遺傳的功能，也說明DNA決定著蛋白質的合成以及蛋白質的性質和構成。蛋白質是組成生命的基礎物質，是生命功能的最主要執行者，因此，DNA就是生命遺傳的基因物質。
在以上幾位科學家所取得的巨大成就的鼓舞下，生物化學家們開始重新考察核酸的結構。
那麼，DNA中的4種核甘酸是怎樣連接起來的呢？在很長的一段時間內，許多科學家一直把蛋白質作為生物性狀表現的工具，認為核酸是通過蛋白質起作用的，因此，核酸在遺傳中的重要作用沒有受到足夠的重視。直到20世紀40年代末50年代初，人們才發現核酸不但能夠水解分裂成鹼基片段，而且還可以進行定量分析。1950年，美國生物化學家查爾加夫分析了DNA的組成成分，發現了不同來源的DNA分子中，膘哈類核甘酸和呼院類核甘酸的總數總是相等，腺膘吟核甘酸（A）的數目總是等於胸腺喚院核甘酸阿），鳥源吟核甘酸（G）的數目等於胞陵陡核甘酸（C），即A＝T，G＝C；A＋G＝T＋C。這就是著名的「查爾加夫規則」。
通過研究，查爾加夫還發現，DNA鹼基成分隨著來源的不同有很大的差異，4種鹼基可以按不同的序列排列，表現出極大的多樣性和特異性，能得到4」種不同的排列方式，是一座十分龐大的遺傳密碼庫。而且4種鹼基的組合還遵循一個共同的規律：不論DNA的來源如何，在4種鹼基中，腺瞟吟（A）總是跟胸腺闡陡河）配對，腺喀院（C）總是跟鳥膘哈（則配對。這種嚴格的鹼基配對叫作「鹼基互補原則」。
查爾加夫的發現大大地推進了人們對DNA的理解程度，下一步就是要搞清楚DNA的化學結構以及它在蛋白質中產生何種作用，從而支配著蛋白質的合成。就在查爾加夫埋頭對DNA展開細緻研究的同時，運用X射線等先進的物理學方法研究生物大分子的晶體結構也取得了突破性進展。這一工作主要是在英國進行的。50年代初，英國科學家威爾金斯等人用X射線衍射技術對DNA結構潛心研究了3年後發現，DNA是一種螺旋結構。1951年，英國女物理學家富蘭克林拍到了一張十分清晰的DNAX射線衍射照片。這些卓有成效的工作為DNA雙螺旋結構的發現打下了堅實的基礎。
最終完成這一宏偉工程的是美國生物學家沃森和英國生物學家克裡克。沃森是埃弗雷噬菌體研究小組的成員，克裡克則是英國結構學派的成員。1951年11月，兩人在劍橋大學的卡文迪許實驗室相遇，並進行了愉快的交談，很快發現彼此都對DNA分子結構極感興趣，於是便相約合作研究，試圖揭示和闡明遺傳信息的結構基礎。
此後，沃森與克裡克抓緊時間研究已經獲得的各項數據，並於1951年底提出了一個由三股鏈組成的螺旋結構模型。但是很快，他們便失望了，因為由於算少了DNA的含水量，搭構出來的三股鏈的樣子連他們自己看著都覺得彆扭。第一個模型失敗了。1952年7月，克裡充意外地從查爾加夫那裡得知DNA所含的4種鹼基含量並不相等，他意識到，果真如此，那麼只有一種可能，那就是它們只能是兩條鏈上鹼基互相以配對的形式而存在。1953年2月，克裡克與沃森又得到了關於DNA結構的X射線衍射照片和新數據。根據各方面對DNA研究的信息和深入細緻的研究分析，沃森和克裡克形成了一個共識：DNA是一種雙鏈螺旋結構。於是，他們搭建了一個DNA雙螺旋模型，並於1953年4月將新的DNA結構模型在權威刊物帕然》雜誌上公佈於世。
這是一個極為成功、無懈可擊的DNA分子結構模型，它由兩條右旋但反向的鏈在同一個軸上盤繞而成，像一個螺旋形的梯子，生命的遺傳密碼就列在梯子的橫檔上。DNA雙螺旋結構模型完美地說明了遺傳物質的遺傳、生化和結構的主要特徵，它的提出是生物學史上劃時代的事件。從此，遺傳學的歷史和生物學的歷史正式從細胞階段進入了分子階段。由於這一劃時代的貢獻，沃森、克裡克和英國科學家威爾金斯共獲1962年度諾貝爾醫學和生理學獎，這一殊榮今完全出乎意料的克裡克、沃森感慨萬千，激動不已。克裡克在他的回憶錄《狂熱的追求——科學發現之我見》中表述了這種心情：「雙螺旋確實是一種了不起的分子，也是一個了不起的發現。現代人的歷史約有5萬年，文明的歷史幾乎不到1萬年，美國的歷史僅僅200多年，可是RNA、DNA都至少存在了幾十億年。從古至今，雙螺旋就一直存在並活躍著，可是我們還是近些年才知道。當然，值得慶幸的是，我們是地球上最先意識到它的存在的生物。有關我們發現雙螺旋的文章如此之多，我很難再補充什麼。我想說，DNA是由4個字母的語言寫成的長長的生命信息，這是生命的語言……」
沃森與克裡克發現的DNA分子雙螺旋結構模型有4個重要特點：一，DNA分子是由兩條成對的鏈以雙螺旋的方式接一定空間距離相互平行盤繞，像一根扭曲的大麻花。DNA分子的長鏈從頭至尾都嚴格遵守鹼基配對原則。二，兩條長鏈的方向是相反的。三，腺瞟吟（A）
跟胸腺嚼嚀燈）以兩氫鍵聯結配對，而胞噴促（C）與鳥瞟吟（G）卻以三氫鍵聯結配對。比如，一條鏈上的鹼基排列順序是TCGACTGA……，AF麼，另一條鏈上的鹼基排列順序一定是AGCTGACT……。這就意味著，DNA中一條鏈的鹼基順序一旦確定，那麼另一條鏈的鹼基順序也就確定了。四，DNA雙螺旋結構模型表明它的結構對於鹼基的順序不存在任何限制。
據科學家統計，一個體細胞的全部DNA「螺旋樓梯」長約2米。若將一個人的全部DNA連接起來，可以在地球和太陽之間扯上80個來回。
在那個偉大的發現之後，沃森與克裡克從未停止過對生命更深層次的探索。不久，他們又給《自然》雜誌撰寫第二篇文章，提出了DNA分子的複製假說：在體細胞的有絲分裂中，每個DNA分子雙螺旋先分解成兩個單螺旋，每個單螺旋再利用細胞中現成的游離膜吟、嘖嘖以及□重建失去的那一半。實際上，可以形象地認為，每個單鏈好像「模子」，按照某種特定方式澆注出一個個與「模子」相匹配的產品。因此，生命體內DNA分子由一個變為兩個的複製被稱為「半保留複製」。沃森和克裡克闡述的關於DNA分子的複製假說得到了當時科學界廣泛認同，人們開始認識到，生命就是一個不斷複製和進化的過程，而這個過程起始於DNA的複製，從而保證了父輩的生命密碼像拷貝一樣準確無誤地傳給了子孫。至此，千百年來一直困擾人類的生命遺傳之謎終於被解開了。到了20世紀90年代中期，分子生物學家的研究發現，所有的DNA都有一種語言的特性：分子中的每4種鹼基對必定組成4個字母，由此構成長的文字系列。事實上，編譯出基因中信息的DNA系列已經被生物學家形象地稱為「生命的語言」，他們為了把「生命的語言」「逐字表述出來，讓DNA通過一系列語言的測試，測試的結果令人驚訝：一部分DNA顯示的文字，其構造竟然同天然的語言十分相似，而另一部分DNA顯示的文字則形同「天書」，完全不像天然的語言，而這一部分DNA恰恰含有能編譯密碼、製造蛋白質的基因。
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