La forme en double hélice est justifiée par l'existence de nombreuses interactions dans la molécule. Une interaction existe tout d'abord au sein même d'une simple chaîne, ce qui va avoir pour conséquence un repliement en hélice. Un deuxième processus existe entre chaque hélice puisque les bases peuvent se faire face et se stabiliser par liaisons hydrogène.

La structure en double hélice de l'ADN est élucidée par Watson et Crick en 1953. Le récit de cette formidable découverte réalisée par Watson et Crick est décrit dans un livre écrit par Watson en 1968 (La double helice).

Voici en substance ce que l'on peut y lire : les deux chercheurs disposent alors des éléments suivants :

• La composition chimique de l'ADN (désoxyribose, bases azotées, et groupements phosphate);


• Les clichés de diffraction aux rayons X d'ADN cristallisé, clichés dus principalement à Rosalind Franklin et Maurice Wilkins du King's College. Ces clichés montrent une figure en croix, caractéristique des structures en hélice;


• Les travaux de Erwin Chargaff, qui avaient montré que pour toute molécule d'ADN, le nombre de molécules d'adénine est égal au nombre de molécules de thymine, et que celui de cytosine est égal à celui de guanine;


• Les analyses en microscopie électronique avaient montré que le diamètre de la molécule d'ADN est de 20 Å, ce qui suggérait que cette molécule comportait deux chaînes de désoxyribose-phosphate.

C'est en élaborant successivement plusieurs modèles moléculaires que Watson et Crick réussissent à proposer une structure qui satisfasse à l'ensemble des données cristallographiques et biochimiques alors disponibles. Cette structure est aujourd'hui connue de tous, elle est devenue l'emblème de la biologie moléculaire : deux brins constitués de groupements phosphates et de sucres forment une double hélice où les orientations de chacun des brins sont opposées. Sur les sucres de chacun des deux brins sont liées les bases azotées, chaque base d'un brin étant maintenue en vis-à-vis d'une base de l'autre brin par des liaisons hydrogène. Une cytosine fait toujours face à une guanine, et une adénine à une thymine. Les deux brins d'une molécule d'ADN sont dits complémentaires.

Crick, Watson, et Wilkins reçurent en 1962 le prix Nobel pour ces travaux. Rosalind Franklin aurait vraisemblablement été associée à ce prix si la maladie ne l'avait prématurément emportée.