James Watson fit des études d'ornithologie et de biologie à l'université d'Indiana, et soutint sa thèse en 1950. Ensuite, sur les conseils d'un professeur, il se rend à Copenhague pour s'initier aux méthodes de la biochimie. La même année, il assiste à Naples à un congrès et y rencontre Maurice Wilkins qui présente les premiers clichés de diffraction des rayons X de l'ADN. C'est l'époque où l'on suggère que l'ADN est le support de l'information génétique, alors que l'on croyait que les gènes étaient de nature protéique.
James Watson, qui a vingt-trois ans, décide alors de s'attaquer à la structure des acides nucléiques. À l'automne de 1951, il vient à Cambridge, au laboratoire de cristallographie, et rejoint un groupe de chimistes et de cristallographes de renom. Il commence à étudier l'ARN et montre qu'il a une structure hélicoïdale. Puis, il s'attache à élucider la structure de l'ADN. Les deux clés de ce problème seront : d'une part, la structure hélicoïdale ; d'autre part, l'observation que la structure chimique de l'ADN est composée de quatre bases puriques et pyrimidiques (A, T, G, et C), et que les deux paires de bases A-T et G-C ont des structures complémentaires sur le plan stérique. Cette nouvelle notion, ajoutée à celle d'une structure hélicoïdale, leur permet d'élaborer un modèle de structure en double hélice. Cette découverte n'aurait pu se faire sans les clichés de diffraction aux rayons X effectués par Rosalind Franklin.
Cette découverte, l'un des événements scientifiques majeurs du XX siècle, a bouleversé la biochimie et ouvert la voie à une discipline nouvelle, la biologie moléculaire. Le prix Nobel de médecine fut décerné en octobre 1962 à James Watson ainsi qu'à Maurice Wilkins et Francis Crick, ses compagnons de recherche.
Devenu professeur de biologie à Harvard en 1961, Watson s'intéresse ensuite à une enzyme : l'ARN polymérase qui synthétise l'ARN messager à partir de l'ADN.