分子遺傳學發展曆程首先要從1944年美國學者埃弗裏等在肺炎雙球菌中，證實了轉化因子是脫氧核糖核酸開始講起，這項發現闡明了遺傳的物質基礎。1953年，美國分子遺傳學家沃森和英國分子生物學家克裏克提出了DNA分子結構的雙螺旋模型，這一發現常被認為是分子遺傳學的真正開端。1955年，美國分子生物學家本澤用基因重組分析方法，研究大腸杆菌的T4噬菌體中的基因精細結構，其剖析重組的精細程度達到DNA多核苷酸鏈上相隔僅三個核苷酸的水平。這一工作在概念上溝通了分子遺傳學和經典遺傳學。
在基因突變方麵，在1927年馬勒和1928年斯塔德勒就用X射線等誘發了果蠅和玉米的基因突變，但是在此後一段時間中對基因突變機製的研究進展很慢，直到以微生物為材料廣泛開展突變機製研究和提出DNA分子雙螺旋模型以後才取得顯著成果。例如堿基置換理論便是在T4噬菌體的誘變研究中提出的，它的根據便是DNA複製中的堿基配對原理。
在20世紀40年代初提出了“一個基因一種酶”的假設，這是美國遺傳學家比德爾和美國生物化學家塔特姆根據對粗糙脈孢菌的營養缺陷型的研究而推斷出來的，“一個基因一種酶”的提議，溝通了遺傳學中對基因的功能的研究和生物化學中對蛋白質生物合成的研究。
按照一個基因一種酶假設，蛋白質生物合成的中心問題是蛋白質分子中氨基酸排列順序的信息，究竟以什麼形式儲存在DNA分子結構中，這些信息又通過什麼過程從DNA向蛋白質分子轉移。前一問題是遺傳密碼問題，後—問題是蛋白質生物合成問題，這又涉及轉錄和翻譯、信使核糖核酸、轉移核糖核酸和核糖體的結構與功能的研究。這些分子遺傳學的基本概念都是在20世紀50年代後期和60年代前期形成的。
1960～1961年，分子遺傳學中另一重要概念——基因調控由法國遺傳學家莫諾和雅各布提出。他們根據在大腸杆菌和噬菌體中的研究結果提出乳糖操縱子模型。接著在1964年，又由美國微生物和分子遺傳學家亞諾夫斯基和英國分子遺傳學家布倫納等，分別證實了基因的核苷酸順序和它所編碼的蛋白質分子的氨基酸順序之間存在著排列上的線性對應關係，從而充分證實了一個基因一種酶假設。此後真核生物的分子遺傳學研究逐漸開展起來。
用遺傳學方法可以得到一係列使某一種生命活動不能完成的突變型，例如不能合成某一種氨基酸的突變型、不能布豐，法國博物學家著有《自然史》進行DNA複製的突變型、不能進行細胞分裂的突變型、不能完成某些發育過程的突變型、不能表現某種趨化行為的突變型等。不過許多這類突變型常是致死的，所以各種條件致死突變型，特別是溫度敏感突變型常是分子遺傳學研究的重要材料。在得到一係列突變型以後，就可以對它們進行遺傳學分析，了解這些突變型代表幾個基因，各個基因在染色體上的位置，這就需要應用互補測驗，包括基因精細結構分析等手段。