As moléculas de DNA são constituídas por duas cadeias polinucleotídicas orientadas em sentido inverso uma em relação a outra, sendo por isso ditas antiparalelas. As duas cadeias enrolam-se em espiral, lembrando uma escada helicoidal.

As cadeias polinucleotídicas do DNA mantem-se unidas por ligações de hidrogênio que se estabelecem entre pares de bases específicos: a adenina emparelha-se com a timina, enquanto a guanina emparelha-se com a citosina. Por sua vez, moléculas de RNA são geralmente formadas por uma única cadeia polinucleotídicas.

As moléculas de DNA geralmente são constituídas por milhões de nucleotídios unidos em sequência. Alguns cromossomos humanos contém moléculas de DNA que chegam a atingir mais de 10 centímetros de comprimento, embora sejam finíssimas, com cerca de apenas 0,000002 milímetro, ou 2 nanômetros (nm) de diâmetro.

A elaboração do modelo da molécula de DNA exigiu a utilização conjunta de conhecimentos físicos, químicos e biológicos. Ao conhecer o padrão de espalhamento, ou de difração, sofrido por um feixe de raios X que incide em uma amostra cristalina de DNA, foi possível deduzir a disposição de átomos na molécula e concluir que a molécula era uma dupla hélice.