發現DNA雙螺旋結構既然DNA是遺傳的關鍵物質，那麼它一定有複雜的結構，以一定方式攜帶各種遺傳密碼，並使它們能一代代傳遞下去。
怎樣才能知道DNA的分子結構呢？用光學顯微鏡可以看到細胞以及細胞中的染色體。可是要觀察分子結構，光學顯微鏡就無能為力了。科學家們搬來了新武器，那就是X射線衍射技術。
X射線衍射技術是1912年由英國物理學家布拉格父子開創的。X射線的波長很短，和晶體內原子（或分子）間的距離相近。因此，當一束X光通過晶體時就會發生衍射，射線的強度在某些方向上加強，某些方向上減弱。分析這種衍射圖樣，就可以確定晶體內部原子間的排列和距離。
小布拉格的學生阿斯特伯裏首先用X射線衍射法來測定核酸和蛋白質的結構。盡管他們拍出的照片質量不高，但是已經可以看出，核酸和蛋白質都是折疊的卷曲的長纖維。
50年代初，隨著對DNA作用認識的深入，更多的科學家投入了對核酸結構的研究。其中有三個著名的小組，一個是英國皇家學院的晶體衍射專家維爾金斯和年輕的女科學家弗蘭克林。
他們製成了高度定向DNA纖維，拍攝到了非常清晰的DNA X射線衍射照片。正是這張照片為DNA雙螺旋結構的發現提供了極其重要的依據。
另一個是美國加州工學院著名的結構化學家鮑林。在此之前，他已經建立了蛋白質以肽鏈為骨架的α螺旋結構，他對DNA結構提出了三鏈模型。
而最後捷足先登，發現DNA雙螺旋結構的是在英國卡文迪什實驗室工作的美國年輕生物學家沃森和英國物理學家克裏克。
沃森1928年出生於美國芝加哥，大學時在美國芝加哥大學學習動物學，後獲博士學位。還在學生時代，他就被薛定諤的《生命是什麼》一書迷住了，這本書決定了他一生的道路，那就是揭開生命之謎。
大學畢業後，他來到著名的遺傳信息學派盧裏亞的研究所，專門進行噬菌體研究。1951年，23歲的年輕有為的沃森被派到英國劍橋大學卡文迪什實驗室深造。
在卡文迪什，沃森遇到了英國倫敦大學畢業的物理學家克裏克。克裏克比沃森年長12歲，他也是被薛定諤的《生命是什麼》一書打動，轉向生物學研究的。他曾和著名的結構派佩魯茨等人一起從事過血紅蛋白的X射線結晶學研究，在研究X射線衍射照片方麵有很高的造詣。
沃森與克裏克一見如故，他們發現彼此都對基因分子感興趣。一個生物學家，一個物理學家，一個遺傳信息學派，一個結構學派，組成了理想的搭檔，開始了揭開基因奧秘這一生物學史上激動人心的合作。
當時的DNA射線衍射照片表明，DNA很可能具有螺旋形幾何形狀。沃森和克裏克先建立了一個三鏈的模型，但很快就被指出是錯誤的。由於沒有清晰的高質量照片做實驗依據，他們的研究進展甚微。
1953年2月，當沃森參觀皇家學院實驗室時，看到了威爾金斯和弗蘭克林拍攝到的那張非常出色的DNA的照片。威爾金斯小組認為照片排除了雙鏈的可能性，可是照片中央那小小十字架圖樣卻牢牢吸引住了沃森，他敏銳地意識到，DNA分子很可能是雙鏈結構。
他和克裏克立即投入了建立雙鏈模型的研究。沃森後來這樣形容他們這一點的工作：興趣盎然、個人摩擦、令人沮喪的失敗和突如其來的靈感交錯在一起。