美国生物学家沃森还在学生时代时，就对基因研究产生了浓厚的兴趣。他意识到，理解基因的关键是了解DNA的结构。1951年，他在丹麦的哥本哈根大学进修生物化学。有一次，在意大利的生物学研讨会上，当他见到英国科学家威尔金斯利用X射线衍射技术发现的DNA结晶照片时，异常兴奋，于是他决定加入英国牛津大学卡文迪许实验室。
在那里，他遇到了一位比他年长12岁的年轻物理学家英国人克里克。克里克和他有着共同的理想，虽然他们两人学的专业不同，性格也迥然不同，但是，他们却成为了研究基因结构的"黄金搭档"。
当时，对于DNA的研究国际上很多科学家们都已从各个角度开始深入，但沃森和克里克的刻苦钻研使他们走在了前列。
沃森于1952年测出了烟草花叶病毒蛋白质外壳的结构，但是对DNA的研究仍然没有明显的进展。他们要解决的问题是DNA的主要成分——4种有机碱之间是怎样排列的。1953年的春天，沃森突然意识到这4种有机碱之间必然要结成稳定的"搭档"，也许是以3个碱基为一组。他们随后从威尔金斯拍摄的DNA的X射线衍射图像中得到了启发，于是，这两个名不见经传的小伙子勾画出了一个DNA的双螺旋模型。
被他们想象成两条栏杆组成的旋转梯子，而两条由糖和磷酸组成的长链就是栏杆，4种碱基对形成横档上的梯子。这个大胆的构想巧妙、奇特，它完全能解释已知的DNA作为遗传物质所应有的特征，并且清晰地表明了DNA是如何复制的。后来，这个模型在电子显微镜拍摄到直观图像后得到了证实。
4月和5月，在著名的英国《自然》杂志上，两位默默无闻的年轻人——英国物理学家克里克和美国生物学家沃森，发表了他们共同完成的论文。在这篇划时代的论文中，他们提出DNA（即"脱氧核糖核酸"）结构的双螺旋模型。
发现DNA的双螺旋结构模型是20世纪生命科学发展的里程碑，人类从此找到了解读生命奥秘的"金钥匙"。从此，一个分子生物学的时代开始了。