早在1868，人們就已經發現了核酸。在德國化學家霍普·塞勒的實驗室裏，有壹位瑞士研究生叫米歇爾（1844~1895）。他對實驗室附近壹家醫院扔的帶有膿血的繃帶非常感興趣，因為他知道膿血是為了保護人類健康而在與病菌“戰鬥”中死亡的白細胞和人體細胞的“殘骸”。於是他小心翼翼地收集繃帶上的膿血，用胃蛋白酶分解。結果，他發現大部分細胞殘骸被分解了，但對細胞核不起作用。他進壹步分析了細胞核中的物質，發現細胞核中含有壹種富含磷和氮的物質。霍普·塞勒用酵母做了實驗，這證明米歇爾關於細胞核中物質的發現是正確的。於是他把這種從原子核中分離出來的物質命名為“核素”，後來發現它是酸性的，於是改名為“核酸”。此後，人們對核酸進行了壹系列卓有成效的研究。
20世紀初，德國人科塞（1853~1927）和他的兩個學生瓊斯（1865~1935）和萊文（1869~1940）搞清楚了核酸。核苷酸由堿基、核糖和磷酸組成。有四種堿基（腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶）和兩種核糖（核糖和脫氧核糖），因此核酸分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。
急於發表研究成果的萊文錯誤地認為核酸中四個堿基的數量相等，並由此推斷核酸的基本結構是由四個堿基不同的核苷酸聚合成核酸的四核苷酸，並提出了“四核苷酸假說”。這種錯誤的假設極大地阻礙了人們對復雜核酸結構的理解，也在壹定程度上影響了人們對核酸功能的認識。人們認為，盡管核酸存在於壹個重要的結構——細胞核中，但其結構過於簡單，難以想象它在遺傳過程中能發揮什麽作用。
蛋白質的發現比核酸早30年，而且發展迅速。在20世紀，組成蛋白質的20種氨基酸中有12種已被發現，而且全部被1940發現。
1902年，德國化學家菲舍爾提出氨基酸通過肽鏈連接形成蛋白質的理論。在1917年，他合成了由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18肽長鏈。因此，壹些科學家認為蛋白質可能在遺傳中起主要作用。如果核酸與遺傳有關，它壹定是與蛋白質相連的核蛋白。因此，當時的生物界普遍傾向於認為蛋白質是遺傳信息的載體。
1928年，美國科學家格裏菲斯（1877~1941）用壹種有包膜的高毒性肺炎球菌和壹種無包膜的低毒性肺炎球菌對小鼠進行了實驗。他在高溫下殺死了結莢細菌，並將其與不帶莢的活細菌壹起註射到小鼠體內。結果，他發現老鼠很快生病並死亡，同時他從老鼠的血液中分離出了活的莢果細菌。這表明阿加比實際上從死去的阿加比那裏得到了壹些東西，從而將阿加比轉化為阿加比。這個假設正確嗎？格裏菲斯再次在試管中做了實驗，發現當死莢果真菌和活莢果真菌同時在試管中培養時，所有的莢果真菌都變成了莢果真菌，並發現正是死莢果真菌外殼中殘留的核酸使莢果真菌長出了蛋白質莢果（因為莢果中的核酸在加熱過程中沒有被破壞）。格裏菲斯稱這種核酸為“轉化因子”。
1944年，美國細菌學家艾弗裏（1877~1955）從壹種莢果真菌中分離出壹種有活性的“轉化因子”，並做了壹項試驗來檢查這種物質中是否存在蛋白質。結果呈陰性，證明“轉化因子”是DNA。然而這壹發現並沒有得到廣泛的認可，人們懷疑當時的技術無法去除蛋白質，殘留的蛋白質起到了轉化的作用。
德裔美國科學家德爾布魯克（1906~1981）的噬菌體組堅信艾弗裏的發現。因為他們在電子顯微鏡下觀察了噬菌體的形態和進入大腸桿菌的生長過程。噬菌體是壹種以細菌細胞為宿主的病毒。它非常小，只有用電子顯微鏡才能看到。它像蝌蚪壹樣，外面有頭膜和由蛋白質組成的尾鞘。頭部內部含有DNA，尾鞘有尾絲、基質和小鉤。當噬菌體感染大腸桿菌時，其尾端首先被綁在細菌的細胞膜上，然後將其中的所有DNA註入細菌細胞中。蛋白質的空殼留在細菌細胞外面，沒有任何作用。噬菌體DNA進入細菌細胞後，利用細菌中的物質快速合成噬菌體DNA和蛋白質，從而復制出許多與原始噬菌體大小和形狀相同的新噬菌體。在細菌被完全分解之前，這些噬菌體會離開死亡的細菌並感染其他細菌。
在1952中，噬菌體組的主要成員赫爾希和他的學生蔡斯利用先進的同位素標記技術做了噬菌體感染大腸桿菌的實驗。他用32P標記大腸桿菌T2噬菌體的核酸，用35S標記蛋白質外殼。用T2噬菌體感染大腸桿菌，然後將其分離。結果，噬菌體在大腸桿菌外部留下了壹個帶有35S標記的空殼，只有噬菌體內部帶有32P標記的核酸被註射到大腸桿菌中，噬菌體在大腸桿菌中成功繁殖。這個實驗證明了DNA具有傳遞遺傳信息的功能，而蛋白質是由DNA的指令合成的。這壹結果立即被學術界接受。
幾乎與此同時，奧地利生物化學家查加夫在重新確定核酸中四種堿基的含量方面取得了成就。在艾弗裏工作的影響下，他認為如果不同的生物物種是由於不同的DNA而產生的，那麽DNA的結構壹定非常復雜，否則將很難適應生物世界的多樣性。因此，他懷疑萊文的“四核苷酸假說”。在從1948到1952的四年中，他使用了比萊文時代更精確的紙色譜法來分離四種堿基，並使用紫外吸收光譜進行定量分析。經過反復實驗，他終於得到了壹個與萊文不同的結果。實驗結果表明，DNA大分子中嘌呤和嘧啶的總數相等，其中腺嘌呤A和胸腺嘧啶T相等，鳥嘌呤G和胞嘧啶C相等。它表明DNA分子中的堿基A和T、G和C是成對的，從而否定了“四核苷酸假說”，為探索DNA的分子結構提供了重要線索和依據。
1953 4月25日，英國《自然》雜誌在劍橋大學發表了美國沃森和英國克裏克的研究成果:DNA雙螺旋結構的分子模型，後來被譽為20世紀以來生物學領域最偉大的發現，標誌著分子生物學的誕生。
沃森在中學時是壹個極其聰明的男孩。他在15歲時進入芝加哥大學。當時，由於壹項允許提前入學的實驗教育計劃，沃森有機會學習各方面的生物科學課程。在大學期間，沃森幾乎沒有接受過遺傳學方面的正式訓練，但自從閱讀了薛定諤的《什麽是生命？——活細胞的物理外觀”，促使他“發現基因的秘密”。他善於集思廣益，向別人學習，用別人的想法豐富自己。只要有便利的條件，妳就可以獲得妳需要的知識，而不必強迫自己學習整個新領域。沃森在22歲時獲得了博士學位，並被派往歐洲進行博士後研究。為了充分了解病毒基因的化學結構，他去了丹麥哥本哈根的實驗室學習化學。有壹次他和導師去意大利那不勒斯參加壹個生物大分子會議，有機會聽英國物理生物學家威爾金斯（1916~？）並看到了威爾金斯的DNA X射線衍射照片。從那以後，找到解開DNA結構的鑰匙的想法壹直縈繞在沃森的腦海中。在哪裏可以學習分析X射線衍射圖樣？於是他前往英國劍橋大學卡文迪什實驗室學習，在此期間，沃森結識了克裏克。
克裏克中學時就對科學充滿熱情，1937畢業於倫敦大學。在1946中，他讀到了什麽是生活？-活細胞的物理外觀，決心將物理學知識應用於生物學的研究，並從那時起對生物學產生了興趣。1947，復讀研究生。1949年，他和佩魯茲利用X射線技術研究蛋白質的分子結構，因此他在這裏遇到了沃森。當時，克裏克比沃森大12歲，還沒有獲得博士學位。但他們的談話非常投機，沃森覺得他很幸運能在這裏找到壹個知道DNA比蛋白質更重要的人。同時，沃森覺得克裏克是他遇到的最聰明的人。他們每天至少交談幾個小時，討論學術問題。兩個人相輔相成，互相批評，互相激勵。他們認為，解開DNA的分子結構是解開遺傳之謎的關鍵。只有借助精確的X射線衍射數據，我們才能更快地找出DNA的結構。為了得到DNA X射線衍射的數據，克裏克邀請威爾金斯去劍橋度周末。在交談中，威爾金斯接受了DNA結構是螺旋的觀點，還談到了他的合作者富蘭克林（1920~1958，女）和實驗室裏的科學家們，他們也在努力思考DNA結構模型的問題。在1951年、11月至1953年4月期間，沃森和克裏克與威爾金斯和富蘭克林進行了幾次重要的學術交流。
1951年11月，沃森在聽了富蘭克林關於DNA結構的詳細報告後深受啟發。對晶體結構分析有壹定了解的沃森和克裏克意識到，如果他們想快速建立DNA結構模型，他們只能使用其他人的分析數據。他們很快提出了三螺旋DNA結構的想法。在1951結束時，當他們邀請威爾金斯和富蘭克林討論這個模型時，富蘭克林指出他們低估了DNA的含水量壹半，因此第壹個模型被宣布失敗。
壹天，沃森去了國王學院的威爾金斯實驗室，威爾金斯拿出了富蘭克林最近拍攝的“B型”DNA的X射線衍射照片。沃森看到照片後立即興奮起來，心跳加速，因為這種形象比以前的“A型”要簡單得多。只要稍微看壹下“B型”的X射線衍射照片，然後經過簡單的計算，就可以確定DNA分子中多核苷酸鏈的數量。
克裏克請數學家幫他計算，結果顯示嘌呤有吸引嘧啶的傾向。根據這壹結果以及從查加夫獲得的核酸的兩個嘌呤和兩個嘧啶相等的結果，他們形成了堿基配對的概念。
他們苦苦思索四個堿基的排列順序，壹次次在紙上畫出堿基結構，擺弄模型，壹次次提出假設，壹次次推翻自己的假設。
有壹次，沃森正在按照自己的想法修補模型。他移動堿基來尋找各種配對的可能性。突然，他發現由兩個氫鍵連接的腺嘌呤-胸腺嘧啶對與由三個氫鍵連接的鳥嘌呤-胞嘧啶對具有相同的形狀，因此他的精神大為振奮。因為為什麽嘌呤和嘧啶的數量完全相同的謎團即將解開。查加夫定律突然變成了DNA雙螺旋結構的必然結果。因此，不難想象如何以壹條鏈為模板合成另壹條具有互補堿基序列的鏈。那麽，兩條鏈的骨架壹定是方向相反的。
經過沃森和克裏克緊張而持續的工作，DNA金屬模型很快組裝完成。從這個模型中，我們可以看到DNA由兩條核苷酸鏈組成，它們沿著中心軸以相反的方向纏繞在壹起，很像壹個螺旋樓梯。兩邊的扶手是兩條多核苷酸鏈交替的糖-磷基團的骨架，踏板是堿基對。由於缺乏準確的X射線數據，他們不敢斷定該模型完全正確。
下壹個科學方法是將這個模型預測的衍射圖樣與X射線的實驗數據進行仔細的比較。他們又給威爾金斯打了電話。在不到兩天的時間裏，威爾金斯和富蘭克林用X射線數據分析證實了雙螺旋結構模型的正確性，並撰寫了兩篇實驗報告，發表在英國《自然》雜誌上。1962年，沃森、克裏克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫學和生理學獎，而富蘭克林在1958年因癌癥去世，沒有獲獎。
DNA雙螺旋結構發現後，極大地震撼了學術界，啟發了人們的思想。此後，人們立即開展了大量以遺傳學為中心的分子生物學研究。首先，圍繞如何排列組合四種堿基進行編碼以表達20種氨基酸進行了實驗研究。1967年，基因密碼被完全破解，基因在DNA分子水平上獲得了新的概念。說明基因實際上是DNA大分子的壹個片段，是控制生物性狀的遺傳物質的功能單位和結構單位。這個單位片段上的許多核苷酸不是隨機排列的，而是按照有意義的密碼順序排列的。DNA的某種結構可以控制相應結構蛋白質的合成。蛋白質是生物體的重要組成部分，生物體的特性主要通過蛋白質來體現。因此基因對性狀的控制是通過DNA控制蛋白質的合成來實現的。在此基礎上，基因工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程等相繼湧現。這些生物技術的發展必將使人們利用生物規律造福人類。隨著現代生物學的發展，它將成為壹門主導學科的趨勢越來越明顯。