自從孟德爾的遺傳定律被重新發現以後，人們又提出了壹個問題：遺傳因子是不是壹種物質實體？為了解決基因是什麽的問題，人們開始了對核酸和蛋白質的研究。 蛋白質的發現比核酸早30年，發展迅速。進入20世紀時，組成蛋白質的20種氨基酸中已有12種被發現，到1940年則全部被發現。
20世紀初，德國科賽爾（1853-1927）和他的兩個學生瓊斯（1865-1935）和列文（1869-1940）的研究，弄清了核酸的基本化學結構，認為它是由許多核苷酸組成的大分子。核苷酸是由堿基、核糖和磷酸構成的。其中堿基有4種（腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶），核糖有兩種（核糖、脫氧核糖），因此把核酸分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。
列文急於發表他的研究成果，錯誤地認為4種堿基在核酸中的量是相等的，從而推導出核酸的基本結構是由4個含不同堿基的核苷酸連接成的四核苷酸，以此為基礎聚合成核酸，提出了“四核苷酸假說”。這個錯誤的假說，對認識復雜的核酸結構起了相當大的阻礙作用，也在壹定程度上影響了人們對核酸功能的認識。人們認為，雖然核酸存在於重要的結構--細胞核中，但它的結構太簡單，很難設想它能在遺傳過程中起什麽作用。
1902年，德國化學家費歇爾提出氨基酸之間以肽鏈相連接而形成蛋白質的理論，1917年他合成了由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18個肽的長鏈。於是，有的科學家設想，很可能是蛋白質在遺傳中起主要作用。如果核酸參與遺傳作用，也必然是與蛋白質連在壹起的核蛋白在起作用。因此，那時生物界普遍傾向於認為蛋白質是遺傳信息的載體。
到了1919年，菲巴斯·利文進壹步辨識出組成DNA的堿基、糖類以及磷酸核苷酸單元，他認為DNA可能是許多核苷酸經由磷酸基團的聯結，而串聯在壹起。不過他所提出概念中，DNA長鏈較短，且其中的堿基是以固定順序重復排列。1937年，威廉·阿斯特伯裏完成了第壹張X光繞射圖，闡明了DNA結構的規律性。
1928年，美國科學家弗雷德裏克·格裏菲斯（1877-1941）在實驗中發現，平滑型的肺炎球菌，能轉變成為粗糙型的同種細菌，方法是將已死的平滑型與粗糙型活體混合在壹起。格裏菲斯用壹種有莢膜、毒性強的和壹種無莢膜、毒性弱的肺炎雙球菌對老鼠做實驗。他把有莢病菌用高溫殺死後與無莢的活病菌壹起註入老鼠體內，結果他發現老鼠很快發病死亡，同時他從老鼠的血液中分離出了活的有莢病菌。這說明無莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什麽物質，使無莢菌轉化為有莢菌。這種假設是否正確呢？格裏菲斯又在試管中做實驗，發現把死了的有莢菌與活的無莢菌同時放在試管中培養，無莢菌全部變成了有莢菌，並發現使無莢菌長出蛋白質莢的就是已死的有莢菌殼中遺留的核酸（因為在加熱中，莢中的核酸並沒有被破壞）。格裏菲斯稱該核酸為轉化因子。這種現象稱為“轉化”。
但這個發現沒有得到廣泛的承認，人們懷疑當時的技術不能除凈蛋白質，殘留的蛋白質起到轉化的作用。造成此現象的因子，也就是DNA，是直到1943年，才由奧斯瓦爾德·埃弗裏(O,Avery)等人所辨識出來。1953年，阿弗雷德·赫希與瑪莎·蔡斯確認了DNA的遺傳功能，他們在赫希-蔡斯實驗中發現，DNA是T2噬菌體的遺傳物質。
1952年，噬菌體小組主要成員赫爾希（1908壹）和他的學生蔡斯用先進的同位素標記技術，做噬菌體侵染大腸桿菌的實驗。他把大腸桿菌T2噬菌體的核酸標記上32P，蛋白質外殼標記上35S。先用標記了的T2噬菌體感染大腸桿菌，然後加以分離，結果噬菌體將帶35S標記的空殼留在大腸桿菌外面，只有噬菌體內部帶有32P標記的核酸全部註人大腸桿菌，並在大腸桿菌內成功地進行噬菌體的繁殖。這個實驗證明DNA有傳遞遺傳信息的功能，而蛋白質則是由 DNA的指令合成的。這壹結果立即為學術界所接受。
美籍德國科學家德爾布呂克（1906--1981）的噬菌體小組對艾弗裏的發現堅信不移。因為他們在電子顯微鏡下觀察到了噬菌體的形態和進入大腸桿菌的生長過程。噬菌體是以細菌細胞為寄主的壹種病毒，個體微小，只有用電子顯微鏡才能看到它。它像壹個小蝌蚪，外部是由蛋白質組成的頭膜和尾鞘，頭的內部含有DNA，尾鞘上有尾絲、基片和小鉤。當噬菌體侵染大腸桿菌時，先把尾部末端紮在細菌的細胞膜上，然後將它體內的DNA全部註人到細菌細胞中去，蛋白質空殼仍留在細菌細胞外面，再沒有起什麽作用了。進入細菌細胞後的噬菌體DNA，就利用細菌內的物質迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質，從而復制出許多與原噬菌體大小形狀壹模壹樣的新噬菌體，直到細菌被徹底解體，這些噬菌體才離開死了的細菌，再去侵染其他的細菌。
幾乎與此同時，奧地利生物化學家查伽夫對核酸中的4種堿基的含量的重新測定取得了成果。在艾弗裏工作的影響下，他認為如果不同的生物種是由於DNA的不同，則DNA的結構必定十分復雜，否則難以適應生物界的多樣性。因此，他對列文的四核苷酸假說產生了懷疑。在1948－ 1952年4年時間內，他利用了比列文時代更精確的紙層析法分離4種堿基，用紫外線吸收光譜做定量分析，經過多次反復實驗，終於得出了不同於列文的結果。實驗結果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的總分子數量相等，其中腺嘌呤A與胸腺嘧啶T數量相等，鳥嘌呤G與胞嘧啶C數量相等。說明DNA分子中的堿基A 與T、G與C是配對存在的，從而否定了“四核苷酸假說”，並為探索DNA分子結構提供了重要的線索和依據。
克裏克在1957年的壹場演說中，提出了分子生物學的中心法則，預測了DNA、RNA以及蛋白質之間的關系，並闡述了“轉接子假說”（即後來的tRNA）。1958年，馬修·梅瑟生與富蘭克林·史達在梅瑟生-史達實驗中，確認了DNA的復制機制。後來克裏克團隊的研究顯示，遺傳密碼是由三個堿基以不重復的方式所組成，稱為密碼子。這些密碼子所構成的遺傳密碼，最後是由哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出。 20世紀30年代後期，瑞典的科學家們就證明DNA是不對稱的。第二次世界大戰後，用電子顯微鏡測定出DNA分子的直徑約為2nm。DNA雙螺旋結構被發現後，極大地震動了學術界，啟發了人們的思想。從此，人們立即以遺傳學為中心開展了大量的分子生物學的研究。首先是圍繞著4 種堿基怎樣排列組合進行編碼才能表達出20種氨基酸為中心開展實驗研究。
20世紀50年代，DNA雙螺旋結構被闡明，揭開了生命科學的新篇章，開創了科學技術的新時代。隨後，遺傳的分子機理――DNA復制、遺傳密碼、遺傳信息傳遞的中心法則、作為遺傳的基本單位和細胞工程藍圖的基因以及基因表達的調控相繼被認識。至此，人們已完全認識到掌握所有生物命運的東西就是DNA和它所包含的基因，生物的進化過程和生命過程的不同，就是因為DNA和基因運作軌跡不同所致。
1953年4月25日，英國的《自然》雜誌刊登了美國的沃森和英國的克裏克在英國劍橋大學合作的研究成果：DNA雙螺旋結構的分子模型，這壹成果後來被譽為20世紀以來生物學方面最偉大的發現，標誌著分子生物學的誕生。
沃森（1928壹）在中學時代是壹個極其聰明的孩子，15歲時便進入芝加哥大學學習。當時，由於壹個允許較早人學的實驗性教育計劃，使沃森有機會從各個方面完整地攻讀生物科學課程。在大學期間，沃森在遺傳學方面雖然很少有正規的訓練，但自從閱讀了薛定諤的《生命是什麽？--活細胞的物理面貌》這本進化論的理論基礎書籍，促使他去“發現基因的秘密”。他善於集思廣益，博取眾長，善於用他人的思想來充實自己。只要有便利的條件，不必強迫自己學習整個新領域，也能得到所需要的知識。沃森22歲取得博士學位，然後被送往歐洲攻讀博士後研究員。為了完全搞清楚壹個病毒基因的化學結構，他到丹麥哥本哈根實驗室學習化學。有壹次他與導師壹起到意大利那不勒斯參加壹次生物大分子會議，有機會聽英國物理生物學家威爾金斯（1916--）的演講，看到了威爾金斯的DNAX射線衍射照片。從此，尋找解開DNA結構的鑰匙的念頭在沃森的頭腦中索回。什麽地方可以學習分析X射線衍射圖呢？於是他又到英國劍橋大學卡文迪什實驗室學習，在此期間沃森認識了克裏克。
克裏克（1916-2004）上中學時對科學充滿熱情，1937年畢業於倫敦大學。1946年，他閱讀了埃爾溫·薛定諤《生命是什麽？－活細胞的物理面貌》壹書，決心把物理學知識用於生物學的研究，從此對生物學產生了興趣。1947年他重新開始了研究生的學習，1949年他同佩魯茲壹起使用X射線技術研究蛋白質分子結構，於是在此與沃森相遇了。當時克裏克比沃森大12歲，還沒有取得博士學位。但他們談得很投機，沃森感到在這裏居然能找到壹位懂得DNA比蛋白質更重要的人，真是三生有幸。同時沃森感到在他所接觸的人當中，克裏克是最聰明的壹個。他們每天交談至少幾個小時，討論學術問題。兩個人互相補充，互相批評以及相互激發出對方的靈感。他們認為解決DNA分子結構是打開遺傳之謎的關鍵。只有借助於精確的X射線衍射資料，才能更快地弄清DNA的結構。為了搞到DNAX射線衍射資料，克裏克請威爾金斯到劍橋來度周末。在交談中威爾金斯接受了DNA結構是螺旋型的觀點，還談到他的合作者富蘭克林（1920--1958，女）以及實驗室的科學家們，也在苦苦思索著DNA結構模型的問題。從1951年11月至1953年4月的18個月中，沃森、克裏克同威爾金斯、富蘭克林之間有過幾次重要的學術交往。
1951年11月，沃森聽了富蘭克林關於DNA結構的較詳細的報告後，深受啟發，具有壹定晶體結構分析知識的沃森和克裏克認識到，要想很快建立 DNA結構模型，只能利用別人的分析數據。他們很快就提出了壹個三股螺旋的DNA結構的設想。1951年底，他們請威爾金斯和富蘭克林來討論這個模型時，富蘭克林指出他們把DNA的含水量少算了壹半，於是第壹次設立的模型宣告失敗。
有壹天，沃森又到國王學院威爾金斯實驗室，立刻興奮起來、心跳也加快了，因為這種圖像比以前得到的“A型”簡單得多，只要稍稍看壹下“B型”的X射線衍射照片，再經簡單計算，就能確定DNA分子內多核苷酸鏈的數目了。
克裏克請數學家幫助計算，結果表明嘌呤有吸引嘧啶的趨勢。他們根據這壹結果和從查伽夫處得到的核酸的兩個嘌呤和兩個嘧啶兩兩相等的結果，形成了堿基配對的概念。
他們苦苦地思索4種堿基的排列順序，壹次又壹次地在紙上畫堿基結構式，擺弄模型，壹次次地提出假設，又壹次次地推翻自己的假設。
有壹次，沃森又在按著自己的設想擺弄模型，他把堿基移來移去尋找各種配對的可能性。突然，他發現由兩個氫鍵連接的腺嘌呤壹胸腺嘧啶對竟然和由3個氫鍵連接的鳥嘌呤壹胞嘧啶對有著相同的形狀，於是精神為之大振。因為嘌呤的數目為什麽和嘧啶數目完全相同這個謎就要被解開了。查伽夫規律也就壹下子成了 DNA雙螺旋結構的必然結果。因此，壹條鏈如何作為模板合成另壹條互補堿基順序的鏈也就不難想象了。那麽，兩條鏈的骨架壹定是方向相反的。
經過沃森和克裏克緊張連續的工作，很快就完成了DNA金屬模型的組裝。從這模型中看到，DNA由兩條核苷酸鏈組成，它們沿著中心軸以相反方向相互纏繞在壹起，很像壹座螺旋形的樓梯，兩側扶手是兩條多核苷酸鏈的糖壹磷基因交替結合的骨架，而踏板就是堿基對。由於缺乏準確的X射線資料，他們還不敢斷定模型是完全正確的。
下壹步的科學方法就是把根據這個模型預測出的衍射圖與X射線的實驗數據作壹番認真的比較。他們又壹次打電話請來了威爾金斯。不到兩天工夫，威爾金斯和富蘭克林就用X射線數據分析證實了雙螺旋結構模型是正確的，並寫了兩篇實驗報告同時發表在英國《自然》雜誌上。1962年，沃森、克裏克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫學和生理學獎，而富蘭克林因患癌癥於1958年病逝而未被授予該獎。 為了測出所有人類的DNA序列，人類基因組計劃於1990年代展開。到了2001年，多國合作的國際團隊與私人企業塞雷拉基因組公司，分別將人類基因組序列草圖發表於《自然》與《科學》兩份期刊。
1967年，遺傳密碼全部被破解，基因從而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因實際上就是DNA大分子中的壹個片段，是控制生物性狀的遺傳物質的功能單位和結構單位。在這個單位片段上的許多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密碼順序排列的。壹定結構的DNA，可以控制合成相應結構的蛋白質。蛋白質是組成生物體的重要成分，生物體的性狀主要是通過蛋白質來體現的。因此，基因對性狀的控制是通過DNA控制蛋白質的合成來實現的。在此基礎上相繼產生了基因工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程等，這些生物技術的發展必將使人們利用生物規律造福於人類。現代生物學的發展，愈來愈顯示出它將要上升為帶頭學科的趨勢。
1972年，美國科學家保羅.伯格首次成功地重組了世界上第壹批DNA分子，標誌著DNA重組技術――基因工程作為現代生物工程的基礎，成為現代生物技術和生命科學的基礎與核心。
DNA重組技術的具體內容就是采用人工手段將不同來源的含某種特定基因的DNA片段進行重組，以達到改變生物基因類型和獲得特定基因產物的目的的壹種高科學技術。
到了20世紀70年代中後期，由於出現了工程菌以及實現DNA重組和後處理都有工程化的性質，基因工程或遺傳工程作為DNA重組技術的代名詞被廣泛使用。可以說，DNA重組技術創立近 30多年來所獲得的豐碩成果已經把人們帶進了壹個不可思議的夢幻般的科學世界，使人類獲得了打開生命奧秘和防病治病“魔盒”的金鑰匙。
到20世紀末，DNA重組技術最大的應用領域在醫藥方面，包括活性多肽、蛋白質和疫苗的生產，疾病發生機理、診斷和治療，新基因的分離以及環境監測與凈化。
許多活性多肽和蛋白質都具有治療和預防疾病的作用，它們都是從相應的基因中產生的。但是由於在組織細胞內產量極微，所以采用常規方法很難獲得足夠量供臨床應用。
基因工程則突破了這壹局限性，能夠大量生產這類多肽和蛋白質，迄今已成功地生產出治療糖尿病和精神分裂癥的胰島素，對血癌和某些實體腫瘤有療效的抗病毒劑――幹擾素，治療侏儒癥的人體生長激素，治療肢端肥大癥和急性胰腺炎的生長激素釋放抑制因子等100多種產品。
基因工程還可將有關抗原的DNA導入活的微生物，這種微生物在受免疫應激後的宿主體內生長可產生弱毒活疫苗，具有抗原刺激劑量大、且持續時間長等優點。目前正在研制的基因工程疫苗就有數十種之多，在對付細菌方面有針對麻風桿菌、百日咳桿菌、淋球菌、腦膜炎雙球菌等的疫苗；在對付病毒方面有針對甲型肝炎、乙型肝炎、巨細胞病毒、單純皰疹、流感、人體免疫缺陷病毒等的疫苗……。中國乙肝病毒攜帶者和乙肝患者多達壹二億，這壹情況更促使了中國科學家自行成功研制出乙肝疫苗，取得了巨大的社會效益和經濟效益。
抗體是人體免疫系統防病抗病的主要武器之壹，20世紀70年代創立的單克隆抗體技術在防病抗病方面雖然發揮了重要作用，但由於人源性單抗很難獲得，使得單抗在臨床上的應用受到限制。為解決此問題，又能保證正常功能的發揮。如抗HER-2人源化單抗治療乳腺癌已進入Ⅲ期試驗，抗IGE人源化單抗治療哮喘病已進入Ⅱ期試驗。
抗生素在治療疾病上起到了重要作用，隨著抗生素數量的增加，用傳統方法發現新抗生素的幾率越來越低。為了獲取更多的新型抗生素，采用DNA重組技術已成為重要手段之壹。
值得指出的是，以上所述基因工程多肽、蛋白質、疫苗、抗生素等防治藥物不僅在有效控制疾病，而且在避免毒副作用方面也往往優於以傳統方法生產的同類藥品，因而更受人們青睞。
人類疾病都直接或間接與基因相關，在基因水平上對疾病進行診斷和治療，則既可達到病因診斷的準確性和原始性，又可使診斷和治療工作達到特異性強、靈敏度高、簡便快速的目的。於基因水平進行診斷和治療在專業上稱為基因診斷和基因治療。以補償失去功能的基因的作用，或是增加某種功能以利對異常細胞進行矯正或消滅。
在理論上，基因治療是治本治愈而無任何毒副作用的療法。不過，盡管至今國際上已有100多個基因治療方案正處於臨床試驗階段，但基因治療在理論和技術上的壹些難題仍使這種治療方法離大規模應用還有壹段很長的距離。不論是確定基因病因還是實施基因診斷、基因治療、研究疾病發生機理，關鍵的先決條件是要了解特定疾病的相關基因。隨著“人類基因組計劃”的臨近完成，科學家們對人體全部基因將會獲得全面的了解，這就為運用基因重組技術造逼於人類健康事業創造了條件。
不過，雖然基因技術向人類展示了它奇妙的“魔術師”般的魅力，但也有大量的科學家對這種技術的發展予以人類倫理和生態演化的自然法則的沖擊表示出極大的擔憂。從理論上來講，這種技術發展的壹個極致就是使人類擁有了創造任何生命形態或從未有過的生物的能力。人們能夠想像這將是怎樣的結果嗎？
2014年科學家研究表明，人體內僅有8%DNA具有重要作用，剩余的DNA都是“垃圾”。英國牛津大學研究顯示，僅有8.2%的人體DNA具有重要作用，剩余的DNA都是進化殘留物，就像是闌尾壹樣，對人體無益，也沒有什麽害處。研究負責人古爾頓-倫特(Gurton Lunter)博士說：“人體內絕大多數DNA並不具有重要作用，僅是占據空間而已。”之前評估顯示人體80%DNA具有“功能性”，或者說具有重要作用。這就相當於從谷殼中分離小麥是非常重要的，因為這將確保醫學研究人員聚焦分析疾病相關的DNA，進壹步促進研制新的治療方案。合著作者克裏斯-龐廷(Chris Ponting)教授說：“這不僅僅是關於模糊性‘功能’的學術爭論，從醫學角度來看，這是解釋人類疾病中基因多樣性必不可少的環節。”