Der Ausdruck, der die Struktur der DNA am besten beschreibt, ist "Doppelhelix". Das DNA-Molekül ähnelt einer verdrehten Leiter. Diese doppelhelikale Struktur wurde erstmals von den Forschern James Watson und Francis Crick vorgeschlagen.
Das von Watson und Crick vorgeschlagene Modell des DNA-Moleküls weist zwei Ketten auf, die über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Wasserstoffbrückenbindungen sind schwache Bindungen zwischen einer leicht negativen Region eines Moleküls und der leicht positiven Region eines anderen. Die beiden Ketten verlaufen antiparallel zueinander. Jede Seite des DNA-Moleküls besteht aus zwei Enden, einem 5'-Ende und einem 3'-Ende. Im DNA-Molekül sind die Seiten parallel zueinander, aber das 3'-Ende der einen Seite fluchtet mit dem 5'-Ende der anderen.
DNA-Moleküle haben Seiten, die aus abwechselnden Phosphatgruppen und Zuckern bestehen, während die Sprossen aus zwei aneinander gebundenen Stickstoffbasen bestehen. Die Phosphatgruppen der DNA werden anorganische Phosphate genannt, die aus einem Phosphoratom bestehen, das an mehrere Sauerstoffatome gebunden ist. Die Phosphatgruppe wird dann an einen Zucker namens Desoxyribose gebunden. Der Zuckeranteil verbindet sich mit einer von vier stickstoffhaltigen Basen: Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin.
Die vier Basen verbinden sich auf sehr spezifische Weise. Adenin und Guanin werden Purine genannt, während Thymin und Cytosin Pyrimidine sind. Die Sprossen der DNA-Leiter sind nur groß genug, um ein an ein Pyrimidin gebundenes Purin aufzunehmen. Nach der Basenpaarungsregel bindet Adenin hauptsächlich an Thymin, während Guanin an Cytosin bindet. Die beiden Seiten des DNA-Moleküls werden durch die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Basenpaaren zusammengehalten.
