DNA 的二級結構，即核苷酸排列順序為互補的兩條DNA鏈，以相反的走向，通過堿基之間的氫鍵結合〔腺嘌呤(A)對胸腺嘧啶(T)；鳥嘌呤(G)對胞嘧啶(C)〕並盤繞成一梯形的右手螺旋。DNA的雙螺旋結構可比擬為一樓梯。糖和磷酸骨架相當於樓梯的扶手，堿基對則如臺階。這個DNA雙螺旋結構模型由J.D.沃森和F.H.C.克裏克於1953年提出。它為基因複製和遺傳信息傳遞提供瞭分子結構基礎。堿基互補的概念還圓滿地解釋瞭基因表達過程中轉錄和轉譯機制。很多人認為DNA雙螺螺旋結構的提出標志瞭分子生物學的誕生。
1953年以前化學傢L.C.波林等用建造分子模型的方法解決瞭蛋白質的α－螺旋結構問題，並試圖用同樣的方法解決DNA的結構。L.C.波林提出的DNA模型雖然與事實不符，但可作為J.D.沃森和F.H.C.克裡克的借鑒。E.查加夫等人分析瞭許多不同來源DNA的堿基組成，發現DNA中4種堿基的克分子比總是A＝T、G＝C，這個實驗結果導致雙鏈互補概念的建立。英國人M.威爾金斯和R.富蘭克林等對DNA的 X射線晶體衍射分析為DNA雙螺旋結構提供瞭必要的數據。
特點 當DNA鈉鹽在92％相對濕度下，DNA呈B型雙螺旋（圖1）。
其結構有以下特點：①由兩條DNA鏈組成，其中糖和磷酸骨架繞著一個螺旋軸形成右手螺旋。雙螺旋的直徑為20埃，螺旋表面有兩條溝，一條大溝和一條小溝。這兩條溝對一些蛋白質識別堿基順序起非常重要的作用；②堿基對之間的氫鍵把兩條DNA鏈維系在一起。堿基平面與螺旋軸垂直，堿基對在螺旋內部，糖和磷酸骨架則在外部；③兩條DNA鏈繞螺旋軸旋轉一周(360°)包括10個堿基對，沿螺旋軸方向的距離為34埃，相鄰堿基對之間的距離為3.4埃，旋轉角度為36°；④堿基平面之間的疏水作用在穩定雙螺旋結構方面起著重要的作用，它相當甚至大於堿基對之間氫鍵的作用；⑤兩條脫氧核糖核酸鏈的化學結構方向相反，即一條鏈是：……磷酸-5'-脫氧核糖-3'-磷酸……，另一條鏈是：……磷酸-3'-脫氧核糖-5'-磷酸……（圖2）；⑥雙螺旋結構中堿基對由於幾何形狀的限制，隻能是A與T配對，G與C配對（圖3）。這兩種堿基對的形狀和大小都近似相同。它們的糖苷鍵也有相同的位置和方向。如果嘌呤與嘌呤或嘧啶與嘧啶配對，這樣的堿基對在雙螺旋結構中就會大於或小於觀察到的螺旋直徑（20埃）；⑦具有二次旋轉對稱性。即一對堿基旋轉180°並不影響雙螺旋的對稱性。因此，雙螺旋結構隻限定堿基配對的方式，並不限定堿基順序，堿基對可以是A/T，G/C，也可以是T/A、C/G；⑧已知一條DNA鏈的堿基順序和方向，可以推斷出另一條DNA鏈的堿基順序和方向，也就是說兩條鏈的堿基順序是互補的。
雙螺旋結構中，核苷酸之間3'，5'-磷酸二酯鍵的幾何構型有利於堿基之間疏水作用的形成，從而有利於穩定DNA雙螺旋結構。一條DNA鏈與另一條核糖核酸(RNA)鏈之間通過堿基對(A/U，G/C)的氫鍵也可以形成類似於DNA雙螺旋結構的DNA-RNA雜交鏈。在轉錄過程中就出現這種DNA-RNA雜交鏈。
無論在原核細胞中，還是在真核細胞中，DNA都以雙螺旋結構的形式存在。在一些噬菌體中，例如大腸桿菌噬菌體ΦX174和M13的DNA則是單鏈環狀結構。這些噬菌體進入寄主細菌以後立即復制成雙鏈環狀結構。
構型 當DNA鈉鹽在75％相對濕度下，則呈現A型雙螺旋。A型與B型的區別在於前者的堿基平面不是垂直於螺旋軸，而有20°的傾斜度，兩個相鄰堿基對的距離為2.56埃，繞螺旋軸的旋轉角度為32.7°，每旋轉一周包括11個堿基對，螺距為28埃。
A型和B型是DNA雙螺旋結構的兩個基本構型。當DNA鈉鹽的相對濕度更低或在一些人工合成的DNA鏈中，還會出現一些其他構型，其中多數與A型或B型相似。有些人工合成的DNA鏈，如dCpGpCpGpCpGp在一定條件下會形成左手雙螺旋或稱Z型DNA。與B型DNA相比，Z型DNA細而長，堿基對偏離軸心靠近雙螺旋的外側，容易同外界因子相互作用。用Z型DNA抗體進行實驗，發現天然DNA中也存在Z型結構。
外界因素對DNA雙螺旋的構型有明顯的影響，除濕度外，鹽的種類和濃度也會影響DNA的構型。一般認為，DNA在水溶液中以B型結構存在，但是，與纖維狀DNA的B型結構稍有區別。水溶液的狀態發生變化，如加熱或加入有機溶劑，對DNA的構型會產生很大的影響。
雙螺旋結構模型也合理地解釋瞭DNA的變性(見脫氧核糖核酸)。熱、酸、堿、尿素等都能破壞維系雙螺旋結構的氫鍵和疏水作用，從而使原有一定剛性的結構變為無規則線團狀，原來深埋在雙螺旋內的發色基團──堿基暴露出來，因此變性DNA表現出粘度降低、沉降速度增加和紫外線吸收值增高（增色效應）等性質。
參考書目
J.D.沃森著，劉望夷等譯：《雙螺旋──發現DNA結構的故事》，科學出版社，北京，1984。(J.D.Watson，The DoubleHelix-A Personal Account of the Discovery of the Structure ofDNA，W.W.Norton &Co.，New York，London，1980.)