DNA poprvé izoloval (extrahoval z buněk) švýcarský lékař Friedrich Miescher v roce 1869, když se zabýval bakteriemi z hnisu v chirurgických obvazech. Molekulu nalezl v jádře buněk, a proto ji nazval nuklein.
V roce 1928 Frederick Griffith zjistil, že vlastnosti "hladké" formy pneumokoka lze přenést na "drsnou" formu téže bakterie smícháním usmrcené "hladké" bakterie s živou "drsnou" formou. Tento systém poskytl první jasný důkaz, že DNA nese genetickou informaci.
Experiment Avery-MacLeod-McCarty identifikoval DNA jako transformační princip v roce 1943.
Úloha DNA v dědičnosti byla potvrzena v roce 1952, kdy Alfred Hershey a Martha Chase v experimentu Hershey-Chase prokázali, že DNA je genetickým materiálem bakteriofága T2.
V 50. letech 20. století Erwin Chargaff zjistil, že množství thyminu (T) přítomného v molekule DNA je přibližně stejné jako množství adeninu (A). Zjistil, že totéž platí pro guanin (G) a cytosin (C). Toto zjištění shrnují Chargaffova pravidla.
V roce 1953 navrhli James D. Watson a Francis Crick v časopise Nature to, co je dnes považováno za první správný model struktury dvojité šroubovice DNA. Jejich dvoušroubovicový, molekulární model DNA byl tehdy založen na jediném rentgenovém difrakčním snímku "Photo 51", který pořídili Rosalind Franklinová a Raymond Gosling v květnu 1952.
Experimentální důkazy podporující Watsonův a Crickův model byly zveřejněny v sérii pěti článků ve stejném čísle časopisu Nature. Z nich článek Franklina a Goslinga byl prvním zveřejněním jejich vlastních dat z rentgenové difrakce a originální metody analýzy, které částečně podpořily Watsonův a Crickův model; toto číslo obsahovalo také článek o struktuře DNA od Maurice Wilkinse a jeho dvou kolegů, jejichž analýza a rentgenové vzorky B-DNA in vivo rovněž podpořily přítomnost dvoušroubovicových konfigurací DNA in vivo, jak je navrhli Crick a Watson pro svůj dvoušroubovicový molekulární model DNA na předchozích dvou stranách Nature. V roce 1962, po Franklinově smrti, obdrželi Watson, Crick a Wilkins společně Nobelovu cenu za fyziologii nebo lékařství. Nobelovy ceny se v té době udělovaly pouze žijícím laureátům. O tom, kdo by měl získat zásluhy za tento objev, se vedou diskuse dodnes.
V roce 1957 Crick vysvětlil vztah mezi DNA, RNA a bílkovinami v ústředním dogmatu molekulární biologie.
Na to, jak se DNA kopíruje (mechanismus replikace), přišel v roce 1958 Meselson-Stahlův experiment. Další práce Cricka a jeho spolupracovníků ukázala, že genetický kód je založen na nepřekrývajících se trojicích bází, tzv. kodonech. Tyto poznatky představují zrod molekulární biologie.
O tom, jak Watson a Crick dospěli k Franklinovým výsledkům, se vedou rozsáhlé diskuse. Crick, Watson a Maurice Wilkins získali v roce 1962 Nobelovu cenu za práci na DNA - Rosalind Franklinová zemřela v roce 1958.
