1928年4月6日，沃森出生於美國芝加哥。16歲就在芝加哥大學畢業，獲動物學理學士學位，在生物學方麵開始顯露才華。22歲時沃森來到英國劍橋大學的卡文迪許實驗室，結識了早先已在這裏工作的克裏克，從此開始了兩人傳奇般的合作生涯。克裏克於1916年6月8日生於英格蘭的北安普敦，21歲在倫敦大學畢業。二戰結束後，來到劍橋的卡文迪許實驗室，克裏克也是深受薛定諤的《生命是什麼》一書的影響，從物理學轉向研究生物學的。
沃森和克裏克構建DNA分子結構模型的工作始於1951年秋。他們仿照鮑林構建蛋白質α螺旋模型的方法，根據結晶學的數據，用金屬片按原子間鍵角與鍵長的比例搭配核苷酸。核苷酸是DNA的基本結構單位。核苷酸有A、T、G、C共4種。1950年，生物化學家查伽夫報道了他對人、豬、牛、羊、細菌和酵母等不同生物DNA進行分析的結果。查伽夫的結果表明，雖然在不同生物的DNA之間，4種核苷酸的數量和相對比例很不相同，但無論哪種物質的DNA中，都有A=T和G=C，這被稱為DNA化學組成的“查伽夫法則”。1952年7月，查伽夫訪問卡文迪許實驗室時，向克裏克詳細解釋了A∶T=G∶C=1∶1的法則。1952年春，克裏克的朋友，理論化學家格裏菲斯通過計算表明，DNA的4種核苷酸中，A必須與T成鍵，G必須與C成鍵。這與查伽夫法則完全一致，以上這些工作，就成了沃森和克裏克DNA分子模型中A—T配對、G—C配對結構的基礎。
1953年2月，威爾金斯將富蘭克林1952年5月拍的一張非常精美的DNA的X光衍射照片拿給沃森和克裏克看，克裏克立即發現，DNA是雙螺旋的，而且構成雙螺旋的兩條單鏈走向相反。至此，DNA骨架已經浮現。隨後，鮑林以前的同事多諾告訴沃森，A-T和G-C配對是靠氫鍵維係的。克裏克提出，與糖-磷酸骨架垂直的堿基隻有朝向骨架中心，才能保持穩定的氫鍵聯係。2月28日，沃森用紙板做成4種堿基的模型，將紙板粘到骨架上朝向中心配對，克裏克馬上指出，隻有兩條單鏈的走向相反才能使堿基完善配對，這正好與X光衍射資料一致。
完整的DNA分子結構模型完成於1953年3月7日，星期六。根據這個模型，DNA分子是一個雙螺旋結構，每一個DNA複製螺旋單位包含10對堿基，長度為34埃（1埃=10-10米）。螺旋直徑為20埃。4月15日，沃森和克裏克關於該模型的第一篇論文在《自然》雜誌上發表。同時在這期《自然》雜誌上發表的有關論文還有：威爾金斯、斯托克和威爾遜合署的文章，介紹了X光衍射數據的總體證據支持DNA的雙螺旋結構模型，以及富蘭克林和戈斯林合署的文章，文中展示一幅重要的、精美的DNA的X光衍射照片，並確認了沃森-克裏克模型的合理性。
DNA分子雙螺旋結構模型的發現，是生物學史上的一座裏程碑，它為DNA複製提供了構型上的解釋，使人們對DNA作為基因的物質基礎不再懷疑，並且奠定了分子遺傳學的基礎。DNA雙螺旋模型在科學上的影響是深遠的。2003年是DNA雙螺旋模型發現50周年，科學界舉行了隆重的紀念活動。
20世紀20年代至30年代，量子力學的發展很快，新的思想對遺傳學的發展產生了重要影響，並且有一大批物理學家加入到遺傳學的研究之中。同時，由於物理學家的介入，對遺傳學的實驗技術發展也產生了很大的推動作用，特別是X射線結晶技術。它不僅僅在研究蛋白質結構的工作中發揮了重要作用，而且在分析DNA結構的工作中也發揮了極其重要的作用。
關於DNA結構的研究，人們當時已經認識到，這是一場關於獲取諾貝爾獎的競爭。在這場激烈的競爭中，摘取諾貝爾桂冠的是英國劍橋大學卡文迪許實驗室的沃森和克裏克，還有倫敦皇家學院的威爾金斯。然而，許多人的工作也是不可忽視的。
在沃森和克裏克的工作中，他們采用了模型的方法來反映DNA的結構。其實在他們之前就有人采用此法。例如，20世紀初的著名科學家萊文和30年代至40年代的科學家就采用了模型的方法，但由於條件尚不成熟，在探索DNA結構的研究中未能獲得成功。
在這場競爭中，除了沃森和克裏克小組之外，還有兩個著名的小組：鮑林小組和威爾金斯小組。