從20世紀50年代開始，科學家們對微生物生理生化尤其是對遺傳變異規律的研究，使人們清楚地知道，生物界不論是多細胞生物、單細胞生物或是非細胞的分子生物，它們在基本的生物學規律上都有著驚人的一致性。微生物特別是原核微生物具有結構簡單、營養要求低、培養迅速、生理類型多、多數為單倍體、容易發生變異、容易累積中間代謝產物、具有許多選擇性的遺傳標記和存在多種原始的遺傳重組類型等優點。所以微生物在解決當前生物學基本理論問題中發揮著越來越大的作用，於是人們對於微生物的研究也慢慢進入到了分子生物學水平。
1953年，美國科學家詹姆斯·D.沃森（J.D.Watson）和英國科學家弗朗西斯·克裏克（F.H.C.Crick）沃森（左）和克裏克（右）在總結前人研究成果的基礎上，提出了DNA結構的雙螺旋模型，從而把生物學推進到分子生物學的新高度，這是20世紀生物學領域中的一次最偉大的革命，同時也給微生物學的發展帶來了巨大的推動力。至此對微生物大分子的結構和功能的研究成為了當時生物界研究的重點。在核酸方麵，沃森和克裏克等共同提出的DNA結構的雙螺旋模型為揭開遺傳信息的複製和轉錄的秘密鋪平了道路，並初步認識了大分子三維結構與功能的關係。人們也逐漸認識到生命的基本功能表現為基本相同的生化過程，這種生命現象的“同一性”使科學家可以利用細菌和病毒等微生物來研究演繹高等生命過程，這就大大加速了生命科學研究的進程。
1955年，美國科學家肯伯格從大肝杆菌中發現了DNA聚合酶，從而揭開了DNA複製的秘密；1959年又有人發現RNA聚合酶。如果不是以DNA雙螺旋結構為基礎，科學家是很難能夠在短短的幾年內揭開DNA複製和轉錄的秘密的。在雙螺旋模型的建立，以及上述成果及基因調控理論基礎上，克裏克又於1958年提出了遺傳信息傳遞的中心法則，闡明了遺傳信息從核酸向蛋白質的流動過程，也就是由生命編碼表達成具體生命活動的過程。揭示了DNA的模型及中心法則後，人們自然會想到DNA是如何決定蛋白質的合成的呢？為解決這個問題，人們還必須清理一下手上所有關於蛋白質合成的材料。從DNA到蛋白質合成是一個巨大的係統工程，經過了近十年的積累，20世紀60年代初，人們終於獲得了足夠的材料來破譯生命密碼了。美國生物學家尼倫伯格首當其衝。1961年他首先人工合成RNA模板，進行無細胞蛋白質合成。他合成了一種隻含尿嘧啶（U）的多聚核苷酸，再以它為模板合成蛋白質，結果產生了一種隻由苯丙氨酸組成的蛋白質。當時已經知道一個密碼子是由3個核苷酸堿基決定的，這表明UUU就是苯丙氨酸的密碼子。這一令人振奮的試驗的成功，促使許多生物學家開始投入到破譯遺傳密碼的工作。到了1967年，決定蛋白質合成的64個遺傳密碼子全部被破譯。遺傳密碼的破譯也使人們認識到紛紜萬象的生命世界有著驚人的內在連續性，除了極少數例外，絕大多數的生物，從原始的細菌到高等動植物都使用著同一套遺傳密碼。此時人們又開始探討一個新的科學問題，那就是遺傳信息的傳遞或表達是如何被調控的。1961年，法國科學家雅可布（F.Jacob）和莫諾（J.Monod）在研究大腸杆菌大腸杆菌電鏡照片乳糖代謝的調節機製時，發現它除有一套結構基因外，還具有一套調節基因，隨之提出了著名的“操縱子”學說，揭示了原核基因表達的開啟和關閉的控製程序，同時也標誌著微生物生理代謝調控研究的興起，進一步將微生物生理學、生物化學和遺傳學結合在一起。1963年莫諾等又提出調節酶（位於一個或多個代謝途徑內的一個關鍵部位的酶，它的活性根據代謝的需要而增加或降低）的變構理論，並引出了“生物調節”的概念。“生物調節”理論標誌著人類認識生命、認識自我實現了又一新的飛躍。到了21世紀的今天，科學家們已經不約而同地強調說，當代的分子生物學是一門關於信息的科學。