遗传变异规律研究取得突破
从20世纪50年代开始，由于对微生物生理生化尤其是对遗传变异规律的研究，使人们清楚地知道，生物界不论是多细胞生物、单细胞生物或是非细胞的分子生物，它们在基本生物学规律上有着惊人的一致性。由于微生物特别是原核微生物的结构简单，营养要求低，培养迅速，生理类型多，多数为单倍体，容易发生变异，容易累积中间代谢产物，具有许多选择性的遗传标记和存在多种原始的遗传重组类型等优点，使微生物在解决当代生物学基本理论问题中发挥着越来越大的作用，于是对于微生物的研究进入到了分子生物学水平。
在前人大量研究成果的基础上，1953年，沃森和克里克提出了DNA结构的双螺旋模型，从而把生物学推进到分子生物学的新高度，这是20世纪生物学领域中的一次最伟大的革命，也给微生物学的发展带来了巨大的推动力。至此对微生物大分子的结构和功能的研究成为了当时研究的重点。在核酸方面，沃森和克里克等共同提出的DNA的双螺旋模型为揭开遗传信息的复制和转录的秘密铺平了道路，初步认识了大分子三维结构与功能的关系。而同时人们也逐渐认识到生命的基本功能表现为基本相同的生化过程，这种生命现象的“同一性”使科学家可以利用细菌和病毒等微生物来研究演绎高等生命过程，大大加速了生命科学研究的进程。
1955年，肯伯格从大肠杆菌中发现了DNA聚合酶，揭开了DNA复制的秘密；1959年又有人发现RNA聚合酶。设想，如果没有DNA双螺旋结构为基础，很难想象科学家能够在短短的几年内揭开DNA复制和DNA转录的秘密。双螺旋模型的建立，以及在上述成果及基因调控理论基础上克里克又在1958年提出了遗传信息传递的中心法则，阐明了遗传信息从核酸向蛋白质的流动过程，也就是生命编码表达成具体生命活动的过程。揭示了DNA的模型及中心法则后，人们自然会想到蕴含在DNA中的遗传信息究竟是如何决定生物性状的呢？也就是说DNA是如何决定蛋白质的合成的呢？为解决这个问题，人们还必须清理一下手所有关于蛋白质合成的材料。从DNA到蛋白质合成是一个巨大的系统工程，经过了近十年的积累。
20世纪60年代初，人们终于获得了足够的材料来破译生命密码了。美国生物学家尼伦伯格首当其冲。1961年他人工合成的RNA模板，进行无细胞蛋白质合成，破译人们已经设想的遗传密码。他合成了一种只含尿嘧啶的多聚核苷酸，以它为模板合成蛋白质，结果产生了一种只由苯丙氨酸组成的蛋白质。这表明UUU就是苯丙氨酸的密码。这一成功非常令人振奋，许多生物学家开始投入到破译遗传密码的工作。1961年，亚考伯和芒诺德在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制时，发现它除有一套结构基因外，还具有一套调节基因，并提出了著名的“操纵子”学说，揭示了原核基因表达的开启和关闭是如何控制的，同时也标志着微生物生理代谢调控研究的兴起，进一步将微生物生理学、生物化学和遗传学结合在一起。
1963年莫诺等提出调节酶的变构理论，并引出了“生物调节”的概念。“生物调节”理论标志着人类认识生命、认识自我实现了又一新的飞跃。
1967年，64个遗传密码全部得到破译。同时遗传密码的破译也使人们认识到纷纭万象的生命世界有着惊人的内在连续性，除了极少数例外，绝大多数的生物，从原始的细菌到高等动植物都使用着同一套遗传密码。此时人们也开始探讨一个新的科学问题，那就是遗传信息的传递或表达是如何被调控的。在DNA分子结构模型建立半个多世纪之后的今天，科学家们已经不约而同地强调说，当代的分子生物学是一门关于信息的科学。
1953年4月25日，英国最权威的科学杂志《自然》，发表了两位年轻科学家沃森和克里克的一篇重要论文，题目是《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构》。他们在论文中宣布，他们已经发现了生物大分子脱氧核糖核酸即DNA（脱氧核糖核酸英文字母缩写）分子的双螺旋结构。一个DNA分子有两条核苷酸链，这两条链以一定的间距平行地围绕同一根轴盘旋，形成右旋的双链螺旋体。这种结构与DNA的复制、转录及遗传信息传递都有密切关系，具有重要的生物学意义。沃森和克里克的发现，在分子水平上揭开了遗传现象的微观本质，开辟了生物遗传学的新纪元，从此分子生物学和分子遗传学诞生了。这项发现是20世纪生命科学乃至整个现代科学的最重要研究成果之一，1962年，他们因这一发现而分享了诺贝尔医学和生理学（相当于生物学）奖金。
20世纪初期，生物学家已经研究清楚，生物体性状由基因决定，基因即是遗传物质，基因在细胞核的染色体内，染色体由蛋白质、脱氧核糖核酸（DNA）和少量核糖核酸（RNA）组成。1944年，奥地利著名物理学家薛定谔发表了一篇演讲，在演讲中，他试图用热力学、量子力学等理论来解释生命现象的本质，引进了非周期性晶体、负熵、密码、传递、量子跃迁式的突变等一系列概念，说明有机体的物质结构、生命活动的维持和延续、生命的遗传和变异等问题，开拓了研究生命现象的某些新途径。薛定谔的演讲稿在1944年出版，书名是《生命是什么》，副题是“活细胞的物理学观”。书中强调，自然界的一切规律都符合统计物理学定律，遗传物质是一种有机大分子，遗传性状以密码形式通过染色体而遗传等设想，对生物遗传学的发展起了重要作用。
这本书在西方科学界负有盛名，影响颇大，被称为“唤起生物学革命的小册子”。它影响了一大批物理学家转而投身于生物学研究，并对分子生物学发展做出杰出贡献。沃森、克里克和维尔金斯都读过《生命是什么》一书，沃森说，正是这本书使他走向基因秘密的发现之路。
当时，在攻克DNA结构之谜的科学竞赛中，有五位科学家名列前茅。一位是美国加州理工学院的鲍林，他是著名的化学家，因发现蛋白质分子的α螺旋结构而蜚声国际科学界；两位英国结晶学家维尔金斯和年轻的女学者富兰克林，他们用第一流的χ射线结晶学技术，拍摄了很多精彩的DNA分子χ射线衍射图，以此直接分析DNA分子结构；还有两位就是美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。论专业知识和专业技术沃森和克里克比不上鲍林和维尔金斯、富兰克林，然而，他们选择了恰当的方法，即用建构模型来探索DNA的结构，同时以χ射线衍射图谱作为参照和验证。沃森说：“特别重要的是我们认真讨论了鲍林是怎样发现蛋白质分子α螺旋结构的，他发现的螺旋结构并不是仅仅靠研究χ射线衍射图谱，相反的，其主要方法是探讨原子之间的相互关系。他不用纸和笔，主要工具是一组分子模型，这些模型从表面上看与学龄前儿童的玩具非常相似。为什么我们不能用同样的方法解决DNA分子问题呢！我们只要制作一组分子模型，着手摆弄起来就行了。
1949年，克里克在剑桥大学卡文迪许实验室的医学科学研究院分子生物学研究室工作。此时，克里克的密友维尔金斯已经在DNA分子χ射线衍射研究中取得很多宝贵资料。1950年，沃森在美国印第安纳大学获动物学哲学博士学位，同年9月，他去丹麦哥本哈根学习生物化学，1951年5月沃森在意大利那不勒斯的一次生物学会议上见到维尔金斯，听到维尔金斯关于DNA分子χ射线衍射分析报告，第一次看到DNA结构的χ射线衍射照片，促使沃森决心向核酸结构进军。
沃森于同年8月到达英国，10月正式到克里克所在的分子生物学研究室工作，经过两个月的实验研究活动，沃森被克里克的科学思想敏锐和对青年科学家的吸引力所折服。1951年12月，沃森写信给德尔布鲁克说：“克里克无疑是我过去从未接触过的最生气勃勃的人，也是我过去从未见到过的像鲍林的人，事实上他看上去极像鲍林。他总是不停地说话和思考，自从我和他一起度过一段时间以后，我发现自己也处在高度兴奋之中，他把许多优异的年轻科学家都吸引到自己的周围。”从此两人紧密合作，共同为探索DNA分子结构而刻苦钻研。
维尔金斯和富兰克林所做的DNA分子χ射线衍射照片表明，DNA分子由几个糖一磷酸骨架所组成。但这些骨DNA链以及DNA的复制架如何结合到一起呢？结合力、化学键，还是氢键四种碱基配对是，同配还是异配？克里克请剑桥的青年数学家格里菲思计算得出结论，碱基是不相似的配对，彼此之间以弱的吸引力氢键相结合。下一个问题是碱基的数量关系如何？实际上，早在1950年，美籍奥地利生物化学家查哥夫就公开发表过有关的数据，“在迄今为止所有已经检验过的各种DNA中，总的嘌呤和总的嘧啶分子数比值，还有腺嘌呤和胸腺嘧啶的分子数比值与鸟嘌呤和胞嘧啶的分子数比值，都与1相去不远。”然而沃森和克里克并未看过这篇文献。直到1952年6月，查哥夫访问他俩的实验室后，二人才知道这些数据。格里菲思的计算结果与查哥夫的数据惊人的一致，这就是DNA分子可能为1∶1的不相似碱基配对。克里克意识到这一点是非常重要的，因为这能解释DNA分子结合在一起和DNA分子能自我复制。
组成DNA分子的原料联结堆砌在一起构成什么形状？起初，沃森和克里克曾经想象是直线排列，1951年看到鲍林发表多肽分子的α螺旋结构，两人决定把DNA分子也看成螺旋形。
螺旋究竟由几股核苷酸链组成呢？沃森和克里克主张三股螺旋，维尔金斯则主张单股螺旋。他们三人经常讨论DNA分子结构的问题，然而却没有选中双螺旋结构。
沃森与克里克用废弃不用的蛋白质分子结构模型材料（铁块、硬纸板、铁丝等）制成一个DNA分子三螺旋模型，他们兴高采烈地把消息告诉维尔金斯所在的DNA小组，以为DNA分子结构已经找到，大功告成。第二天维尔金斯和富兰克林来看他们，立即发现他们对实验数据理解错了，三股螺旋模型便被否定了。从此，沃森和克里克情绪一度低落，沃森回去继续研究烟草花叶病毒，克里克则回去继续研究蛋白质。然而他们对建立DNA分子结构模型，仍然保持很大的兴趣，并且频繁地与各方面学者接触。
不久，他们获悉，鲍林在美国建立起DNA分子结构模型，沃森和克里克紧张起来，立刻又加紧工作。这次沃森建立起一个双螺旋模型，糖一磷酸骨架在外，碱基在里，表面看来似乎已接近最后成功，但在配对碱基时却错误地坚持同配原则。