說到分子生物學的發展，我們不得不提及結構分析和遺傳物質的研究在這門學科的發展中作出了重要的貢獻。結構分析的主要內容是通過闡明生物分子的三維結構來解釋細胞的生理功能。
1912年英國布喇格父子建立了X射線晶體學，成功地測定了一些相當複雜的分子以及蛋白質的結構。以後布喇格的學生阿斯特伯裏和貝爾納又分別對毛發、肌肉等纖維蛋白以及胃蛋白酶、煙草花葉病毒等進行了初步的結構分析。他們的工作為後來生物大分子結晶學的形成和發展奠定了基礎。
20世紀50年代，分子生物學作為一門新興獨立的分支學科脫穎而出。首先在蛋白質結構分析方麵，1951年提出了α-螺旋結構，描述了蛋白質分子中肽鏈的一種構象。1955年桑格完成了胰島素的氨基酸序列的測定。接著肯德魯和佩魯茨在X射線分析中應用重原子同晶置換技術和計算機技術，分別於1957和1959年闡明了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的立體結構。1965年中國科學家合成了有生物活性的胰島素，首先實現了蛋白質的人工合成。另一方麵，從1936年起，德爾布呂克小組以噬菌體為對象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主後半小時內就複製出幾百個同樣的子代噬菌體顆粒，因此是研究生物體自我複製的理想材料。
基因的功能在於決定酶的結構，這是比德爾和塔特姆提出的“一個基因一種酶”的假設，而且一個基因僅決定一個酶的結構。但在當時基因的本質還是沒有完全弄清楚。1944年埃弗裏等研究細菌中的轉化現象，證明了DNA是遺傳物質。
1953年沃森和克裏克以DNA的雙螺旋結構而讓生物學進入曆史新紀元。並在此基礎上提出的中心法則，描述了遺傳信息從基因到蛋白質結構的流動。遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內遺傳信息的貯存方式。1961年雅各布和莫諾提出了操縱子的概念，解釋了原核基因表達的調控。到20世紀60年代中期，關於DNA自我複製和轉錄生成RNA的一般性質已基本清楚，基因的奧秘也隨之開始解開了。
分子生物學先從大膽的科學假說，再到經過大量的實驗研究，從而建立了本學科的理論基礎，僅僅才花了三十年左右的時間。進入20世紀70年代，由於重組DNA研究的突破，基因工程已經在實際應用中開花結果，根據人的意願改造蛋白質結構的蛋白質工程也已經成為現實。蛋白質的結構單位是α-氨基酸。常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數字的各種各樣的蛋白質。蛋白質分子結構的組織形式可分為四個主要的層次。一級結構，也叫化學結構，是分子中氨基酸的排列順序。首尾相連的氨基酸通過氨基與羧基的縮合形成鏈狀結構，稱為肽鏈。肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級結構。二級結構在空間的各種盤繞和卷曲為三級結構。有些蛋白質分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的，亞單位間的相互關係叫四級結構。
蛋白質的功能和性質與其分子的特殊結構有著緊密的聯係，這是形形色色的蛋白質，所以能表現出豐富多彩的生命活動的分子基礎。研究蛋白質的結構與功能的關係是分子生物學研究的一個重要內容。
20世紀以來，隨著結構分析技術的發展，現在已有幾千個蛋白質的化學結構和幾百個蛋白質的立體結構得到了闡明。70年代末，采用測定互補DNA順序反推蛋白質化學結構的方法，不僅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析條件不易得到滿足的蛋白質化學結構分析得以實現。發現和鑒定具有新功能的蛋白質，仍是蛋白質研究的內容。例如與基因調控和高級神經活動有關的蛋白質的研究現在很受重視。
大家都知道，生物體中主要是由核酸來決定遺傳特征。絕大多數生物的基因都由DNA構成。簡單的病毒如噬菌體的基因組是由46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA。由於是雙股DNA，所以通常以堿基對計算其長度。
如果要在子代的生命活動中表現遺傳信息，就需要通過複製、轉錄和轉譯。複製是以親代DNA為模板合成子代DNA分子。轉錄是根據DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列；後者又進一步決定蛋白質分子中氨基酸的序列，就是轉譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸。