現代生物技術是在分子生物學發展基礎上形成的。因此，對分子生物學形成的漫長曆程應該有所了解。與其他科學形成一樣，都是通過許多科學家的辛勤勞動和艱苦的科學實驗得來的。
一、細胞學說
17世紀末，安·馮·列文虎克（Anton Van Leeuwen hoek）首先用自製的高倍數顯微鏡觀察到活細胞,經過150年後，人們才確認生物是由細胞組成的。後來，植物學家羅伯特·布朗（Robert Brown）於1831年用顯微鏡觀察發現了細胞核。再過7年後，馬雅·施萊登（Matthias Jacob Schleiden）才於1838年用顯微鏡觀察發現了細胞核，並認為一切植物均由細胞組成的，這種假說不僅適用於植物，也適用於動物。因而在19世紀中期，施萊登（Schleiden）和施旺（Schwann）兩位學者經過20年的研究繪出有關細胞結構明顯圖像和細胞組成，從而創立了細胞學說。其最大成就是闡明了細胞的起源，即細胞是由現存的細胞分裂產生的。
二、生物進化論
1859年查爾斯·達爾文（Charles Darwin）發表《物種起源》一書，從理論上闡明生物的多樣性。他認為，物種進化的起源是自然選擇的結果，在各類物種當中，誕生了比它能夠生存的數量多得多的個體，於是頻繁地反複發生求生存的鬥爭，進而發生了自然選擇。根據遺傳強者的原理，挑選出來的變種要持續繁殖它的變化了的新型子孫。進化論能科學地闡明，生物的無數相近品種的多樣性和相似性之間的矛盾以及生物界的其他各種事實和發現，有力地批判了“上帝創造物種”神秘莫測的唯心主義論調。
三、孟德爾遺傳規律
奧地利學者格裏哥爾·孟德爾（Gregor Mendel）在用庭院裏種植的豌豆（Pisum sativum）做了8年的遺傳實驗。他從34個豌豆品種裏選出7種做實驗。經過7個品種間的雜交試驗後認為，無論在什麼情況下，子代的特征一方麵非常像親代的一方，另一方麵又出現親代所沒有的特性。因此，他認為把能完全或幾乎不變地傳給子代的特性稱為“顯性”，把那些隱藏了的性狀稱為“隱性”。同時，研究認為，遺傳性狀是由一對遺傳因子決定的。這一重要結論，被稱為孟德爾遺傳規律。孟德爾是著名的科學遺傳學奠基者。
四、摩爾根基因學說
1909年，托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）用害蟲果蠅（Drosophila melanogaster）做了遺傳基因的實驗。從他飼養的成千個紅眼的果蠅中發現有白眼的雄性果蠅，首次提出“突變”（mutagenesis）的概念。並認為突變型一旦發生也能代代相傳，導致物種變異。突變這一概念對遺傳學的發展十分重要。1911年，丹麥約翰生（W·Johanssen）把遺傳因子命名為“基因”（gene）。1926年摩爾根撰寫出版了《基因論》一書，創立了基因學說。摩爾根提出：“物質必須由某種獨立的要素組成，正是這些要素我們稱為遺傳因子，或者更簡單地稱作基因。”他在書中還闡明基因是遺傳物質基礎，呈線狀排列於細胞染色體上。因此，基因不再是抽象的概念，而是存在於細胞染色體中。
五、基因本質的發現
1928年弗雷德·格裏非斯（Fred Griffith）做了肺炎雙球菌的實驗，用血清學方法從肺炎雙球菌分離出能致病帶莢膜菌和無致病不帶莢膜菌。把前者注射小白鼠即死亡，而後者注射小白鼠則表現正常。然後在試管內將致病而帶莢膜菌落的抽提物作為供體，而無致病菌落作為受體混合進行反應，然後將反應產物注射小白鼠而同樣致病死亡，並從這個小白鼠中分離出能致病並帶莢膜的菌落，這種反應即為具有重要科學價值的“轉化”（transformation）實驗。
1943年O.T艾弗裏（O.T.Avery）等研究證實這種轉化因子是一種“強有力的物質”，即使稀釋1億倍仍然有活力。艾弗裏等認為它不是蛋白質，也不是RNA或脂類，因為它不能分別被蛋白酶、RNA酶或脂酶所降解。隻有用DNA酶才能促使其分解而失活。多年來研究證實這種轉化物質就是DNA，這是基因本質的重大發現。
六、分子生物學的誕生
1938年，R.Signer等已經從DNA的光學導向性推測認為，嘌呤和嘧啶環結構的平麵是定向垂直於DNA分子的長軸。1950年，E.Chargaff闡明了腺嘌呤與胸腺嘧啶的克分子比率，鳥嘌呤與胞嘧啶的克分子比率幾乎都近似於1。
1952年，S.Furberg推測DNA是由單條多核苷酸組成的，並由堆砌起來的堿基形成一根帶磷酸一糖主鏈的柱，而在外側形成一個螺旋。同時，M.H.F.Wiklkins等用X-射線衍射法研究DNA結構並得到清晰的衍射圖譜。雖然DNA不能結晶，但Wilkins認為長形DNA分子有縱向排列傾向，容易變成纖維。因此，采用DNA纖維進行X-射線研究，闡明了DNA分子具有相同直徑（約為2nm）的線狀物，認為DNA分子是由兩個相互纏繞的螺旋分子組成。一係列的研究成果，為分子遺傳學的誕生奠定了基礎。
1953年美國遺傳學家詹姆斯·沃森（James D.Watson）和英國生物物理學家弗朗西斯·克裏克（Francis Crick）在莫·休·弗·威爾金斯（M.H.F.Wilkins）的X-射線衍射等係列圖譜結構分析基礎上，用標度分子模型在英國Max Perutz教授分子生物學實驗室進行研究。在英國《自然》雜誌上發表的《DNA結構》一文中，提出了“DNA雙螺旋結構模型”的研究成果。首次闡明了DＮＡ結構與功能，為遺傳信息的儲存、傳遞和利用提供了科學依據，創立了現代分子生物學，這是20世紀科學史上劃時代的裏程碑。Watson和Crick均為諾貝爾獎獲得者。DNA雙螺旋結構分子模型所示，其結構要點說明如下：