DNA ilk olarak İsviçreli bir hekim olan Dr. Friedrich Miescher tarafından saflaştırılmıştır. Kendisi 1869’da atık cerrahi pansumanlardaki irin içinde mikroskopik bir madde keşfetmiştir. Hücre çekirdeklerinde (nükleus) bulunduğu için ona “nüklein” adını vermiştir. 1919’da Phoebus Levene, nükleotit birimleri oluşturan baz, şeker ve fosfatı tanımlanmıştır. Levene DNA’nın, birbirine fosfat grupları ile bağlı olan nükleotit birimlerden oluşan bir zincir olduğunu öne sürmüştür. Ancak Levene, bu zincirin kısa olduğunu ve bazları kendini tekrar eden bir sıralamaya sahip olduğunu düşünmüştür. 1937’de William Astbury DNA’nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösteren ilk X ışını difraksiyon görüntülerini elde etti.
1928’de Frederick Griffith, Pnömokok bakterisinin “düz” şeklini belirleyen özelliğin “buruşuk” şekilli Pnömokok bakterilere aktarılmasının mümkün olduğunu, bunun için ölü “düz” bakterilerin canlı “buruşuk” bakterilerle karıştırılmasının yettiğini gösterdi. Bu deneysel sistem kullanarak Oswald Avery ve arkadaşları Colin MacLeod ve Maclyn McCarty 1943’de değiştirici etmenin DNA olduğunu gösterdiler.
1940’ların sonunda ve 1950’lerin başında nükleik asitlerin kimyasal yapısı ile ilgili bilgi birikimi, DNA’nın moleküler yapısının modeline aktarılmaya çalışılmıştır. Franklin ve Wilkins‘in verileri DNA’nın bir çeşit sarmal yapıda bulunduğuna işaret etmiştir.
1952’lerde bakteriyofajlarla enfekte edilen bakterilerle yapılan aktarım çalışmaları, bakterilerde ve virüslerin çoğunda DNA’nın gerçek genetik materyal olduğunu açıkça göstermiştir.
1952’de Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından Hershey-Chase deneyinde T2 fajının genetik malzemesinin DNA olduğunu göstererek DNA kalıtımdaki rolü teyit ettiler.
1953’te James D. Watson ve Francis Crick DNA’nın bugün kabul görmüş yapısını Nature dergisinde öne sürdüler. Çift sarmallı moleküler modelleri tek bir X-ışını kırınım resmine dayanmaktaydı, bu resim Rosalind Franklin ve Raymond Gosling tarafından Mayıs 1952’de elde edilmişti. Modellerini dayandırdıkları bir diğer bilgi Erwin Chargaff‘ın evvelki yıllarda kendilerine özel olarak iletmiş olduğu, DNA bazlarını birbiriyle eşleştiğiydi. Chargaff kuralları hem B-DNA’nın hem de A-DNA’nın çifte sarmallı biçimini tespit etmekte önemli bir rol oynamıştır.
Watson ve Crick modelinin destekleyen deneysel kanıtlar Nature dergisinin aynı sayısında yayımlanan beş makalede yer aldı. Bunlardan Franklin ve Gosling’in makalesi, Watson ve Crick modelini kısmen destekleyen, kendi X-ışını kırınım verileri ve analiz yönteminin ilk yayımlanmasıydı. Dergini aynı sayısında DNA yapısı hakkında Maurice Wilkins ve iki arkadaşının bir makalesi vardı, onların in vivo B-DNA X-ışını kırınım örüntüleri üzerinde yaptıkları analizler, iki sayfa geride Crick ve Watson tarafından önerilen çifte sarmal modelini destekliyordu. 1962’de Franklin’in ölümünden sonra Watson, Crick ve Wilkins birlikte Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü‘nü kazandılar. O zamanki Nobel ödülleri ancak hayatta olan kişilere ödülün vermesine izin veriyordu. Keşif için kimlerin kredi alması gerektiği hakkında tartışma devam etmektedir. Crick, 1957’de yaptığı etkili bir sunumda, moleküler biyolojinin Temel Dogmasını ortaya koyarak DNA, RNA ve proteinler arasındaki ilişkiyi bu konuda kanıtlar henüz tamamen toplanmadan özetledi. Ayrıca Adaptör Hipotezini dile getirdi. Çift sarmallı yapının ima ettiği kopyalama mekanizmasının teyidi, 1958’de yayımlanan Meselson-Stahl Deneyi ile edildi. Crick ve arkadaşları tarafından yapılan diğer çalışmalar genetik kodun, kodon olarak adlandırılan, örtüşmeyen baz üçlülerinden oluştuğunu gösterdi, bu sayede Har Gobind Khorana, Robert W. Holley ve Marshall Warren Nirenberg genetik kodu çözdüler. Bu keşifler moleküler biyolojinin doğumuna karşılık gelir.
DNA’nın genetik materyal olarak kabul edilmesi, moleküler genetik araştırmalarının yolunu açmış ve hemen hemen yarım yüzyıla yakın bir süredir yapılan önemli çalışmaların dönüm noktasını oluşturmuştur.
