O DNA foi isolado (extraído das células) pelo médico suíço Friedrich Miescher em 1869, quando ele estava trabalhando com bactérias do pus em curativos cirúrgicos. A molécula foi encontrada no núcleo das células e por isso ele a chamou de nucleína.
Em 1928, Frederick Griffith descobriu que traços da forma "lisa" de Pneumococcus podiam ser transferidos para a forma "áspera" da mesma bactéria, misturando bactérias "lisas" mortas com a forma "áspera" viva. Este sistema forneceu a primeira sugestão clara de que o DNA transporta informações genéticas.
A experiência Avery-MacLeod-McCarty identificou o DNA como o princípio transformador em 1943.
O papel do DNA na hereditariedade foi confirmado em 1952, quando Alfred Hershey e Martha Chase no experimento Hershey-Chase mostrou que o DNA é o material genético da bacteriófaga T2.
Nos anos 50, Erwin Chargaff descobriu que a quantidade de timina (T) presente em uma molécula de DNA era aproximadamente igual à quantidade de adenina (A) presente. Ele descobriu que o mesmo se aplicava à guanina (G) e à citosina (C). As regras de Chargaff resumem esta descoberta.
Em 1953, James D. Watson e Francis Crick sugeriram o que agora é aceito como o primeiro modelo correto de estrutura de DNA com dupla hélice na revista Nature. Seu modelo molecular de DNA de dupla hélice foi então baseado em uma única imagem de difração de raios X "Foto 51", tirada por Rosalind Franklin e Raymond Gosling em maio de 1952.
Evidências experimentais apoiando o modelo Watson e Crick foram publicadas em uma série de cinco artigos na mesma edição da revista Nature. Destes, o artigo de Franklin e Gosling foi a primeira publicação de seus próprios dados de difração de raios X e método de análise original que suportava parcialmente o modelo Watson e Crick; esta edição também continha um artigo sobre a estrutura do DNA de Maurice Wilkins e dois de seus colegas, cuja análise e padrões de raios X in vivo B-DNA também suportavam a presença in vivo das configurações de DNA de dupla hélice, como proposto por Crick e Watson para seu modelo molecular de DNA de dupla hélice nas duas páginas anteriores da Nature. Em 1962, após a morte de Franklin, Watson, Crick e Wilkins receberam conjuntamente o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina. Os Prêmios Nobel foram concedidos somente aos ganhadores vivos na época. Um debate continua sobre quem deve receber o crédito pela descoberta.
Em 1957, Crick explicou a relação entre DNA, RNA e proteínas, no dogma central da biologia molecular.
Como o DNA foi copiado (o mecanismo de replicação) veio em 1958 através da experiência Meselson-Stahl. Mais trabalho de Crick e colegas de trabalho mostrou que o código genético era baseado em trigêmeos não sobrepostos de bases, chamados de códons. Estas descobertas representam o nascimento da biologia molecular.
Como Watson e Crick conseguiram os resultados de Franklin tem sido muito debatido. Crick, Watson e Maurice Wilkins receberam o Prêmio Nobel em 1962 por seu trabalho no DNA - Rosalind Franklin tinha morrido em 1958.
