Το DNA απομονώθηκε για πρώτη φορά (εξήχθη από κύτταρα) από τον Ελβετό γιατρό Friedrich Miescher το 1869, όταν ασχολήθηκε με βακτήρια από το πύον των χειρουργικών επιδέσμων. Το μόριο βρέθηκε στον πυρήνα των κυττάρων και έτσι το ονόμασε νουκλεΐνη.
Το 1928, ο Frederick Griffith ανακάλυψε ότι τα χαρακτηριστικά της "λείας" μορφής του πνευμονιόκοκκου μπορούσαν να μεταφερθούν στην "τραχιά" μορφή του ίδιου βακτηρίου αναμειγνύοντας σκοτωμένα "λεία" βακτήρια με τη ζωντανή "τραχιά" μορφή. Το σύστημα αυτό παρείχε την πρώτη σαφή ένδειξη ότι το DNA μεταφέρει γενετικές πληροφορίες.
Το πείραμα Avery-MacLeod-McCarty αναγνώρισε το DNA ως την αρχή του μετασχηματισμού το 1943.
Ο ρόλος του DNA στην κληρονομικότητα επιβεβαιώθηκε το 1952, όταν ο Alfred Hershey και η Martha Chase στο πείραμα Hershey-Chase έδειξαν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό του βακτηριοφάγου T2.
Τη δεκαετία του 1950, ο Erwin Chargaff διαπίστωσε ότι η ποσότητα θυμίνης (Τ) που υπάρχει σε ένα μόριο DNA ήταν περίπου ίση με την ποσότητα αδενίνης (Α) που υπήρχε. Διαπίστωσε ότι το ίδιο ισχύει και για τη γουανίνη (G) και την κυτοσίνη (C). Οι κανόνες του Chargaff συνοψίζουν αυτή τη διαπίστωση.
Το 1953, οι James D. Watson και Francis Crick πρότειναν αυτό που σήμερα είναι αποδεκτό ως το πρώτο σωστό μοντέλο δομής του DNA σε διπλή έλικα στο περιοδικό Nature. Το διπλό ελικοειδές, μοριακό μοντέλο του DNA βασίστηκε τότε σε μια μοναδική εικόνα περίθλασης ακτίνων Χ "Φωτογραφία 51", που ελήφθη από τη Rosalind Franklin και τον Raymond Gosling τον Μάιο του 1952.
Πειραματικά στοιχεία που υποστηρίζουν το μοντέλο των Watson και Crick δημοσιεύτηκαν σε μια σειρά πέντε άρθρων στο ίδιο τεύχος του περιοδικού Nature. Από αυτά, το άρθρο των Franklin και Gosling ήταν η πρώτη δημοσίευση των δικών τους δεδομένων περίθλασης ακτίνων Χ και της πρωτότυπης μεθόδου ανάλυσης που εν μέρει υποστήριζαν το μοντέλο των Watson και Crick- το τεύχος αυτό περιείχε επίσης ένα άρθρο για τη δομή του DNA από τον Maurice Wilkins και δύο συναδέλφους του, των οποίων η ανάλυση και τα in vivo μοτίβα ακτίνων Χ του B-DNA υποστήριζαν επίσης την παρουσία in vivo των διαμορφώσεων διπλής έλικας του DNA, όπως προτάθηκαν από τους Crick και Watson για το μοριακό μοντέλο διπλής έλικας του DNA στις δύο προηγούμενες σελίδες του Nature. Το 1962, μετά το θάνατο του Φράνκλιν, οι Γουάτσον, Κρικ και Γουίλκινς έλαβαν από κοινού το βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής. Τα βραβεία Νόμπελ απονέμονταν τότε μόνο σε ζώντες αποδέκτες. Μια συζήτηση συνεχίζεται σχετικά με το ποιος πρέπει να λάβει τα εύσημα για την ανακάλυψη.
Το 1957, ο Crick εξήγησε τη σχέση μεταξύ του DNA, του RNA και των πρωτεϊνών, στο κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας.
Ο τρόπος αντιγραφής του DNA (ο μηχανισμός αντιγραφής) προέκυψε το 1958 μέσω του πειράματος Meselson-Stahl. Περισσότερες εργασίες του Crick και των συνεργατών του έδειξαν ότι ο γενετικός κώδικας βασίζεται σε μη επικαλυπτόμενες τριπλέτες βάσεων, που ονομάζονται κωδικόνια. Τα ευρήματα αυτά αποτελούν τη γέννηση της μοριακής βιολογίας.
Το πώς ο Watson και ο Crick πήραν τα αποτελέσματα του Franklin έχει συζητηθεί πολύ. Οι Crick, Watson και Maurice Wilkins τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1962 για την εργασία τους στο DNA - η Rosalind Franklin είχε πεθάνει το 1958.
