DNA是由重復(fù)的核苷酸單元組成的長聚合物，鏈寬2.2到2.6納米，每個核苷酸單體長度為0.33納米。盡管每個單體占據(jù)相當(dāng)小的空間，但DNA聚合物的長度可以非常長，因?yàn)槊總€鏈可以有數(shù)百萬個核苷酸。例如，最大的人類染色體（1號染色體）含有近2.5億個堿基對。

生物體中的DNA幾乎從不作為單鏈存在，而是作為一對彼此緊密相關(guān)的雙鏈，彼此交織在一起形成一個叫做雙螺旋的結(jié)構(gòu)。每個核苷酸由可與相鄰核苷酸共價鍵結(jié)合的側(cè)鏈骨架和含氮堿基組成，兩條鏈上的含氮堿基通過堿基互補(bǔ)以氫鍵相連。糖與含氮堿基形成核苷，核苷與一個或多個磷酸基團(tuán)結(jié)合成為核苷酸。

DNA骨架結(jié)構(gòu)是由磷酸與糖類基團(tuán)交互排列而成。組成脫氧核糖核酸的糖類分子為環(huán)狀的2-脫氧核糖，屬于五碳糖的一種。磷酸基團(tuán)上的兩個氧原子分別接在五碳糖的3號及5號碳原子上，形成磷酸雙酯鍵。這種兩側(cè)不對稱的共價鍵位置，使每一條脫氧核糖核酸長鏈皆具方向性。雙螺旋中的兩股核苷酸互以相反方向排列，這種排列方式稱為反平行。脫氧核糖核酸鏈上互不對稱的兩末端一邊叫做5'端，另一邊則稱3'端。脫氧核糖核酸與RNA最主要的差異之一，在于組成糖分子的不同，DNA為2-脫氧核糖，RNA則為核糖。

DNA的雙螺旋通過在兩條鏈上存在的含氮堿基之間建立的氫鍵來穩(wěn)定。組成DNA的四種堿基是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。所有四種堿基都具有雜環(huán)結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)上腺嘌呤和鳥嘌呤是嘌呤的衍生物，稱為嘌呤堿基，而胞嘧啶和胸腺嘧啶與嘧啶有關(guān)，稱為嘧啶堿基。

兩條核苷酸鏈沿著中心軸以相反方向相互纏繞在一起，很像一座螺旋形的樓梯，兩側(cè)扶手是兩條多核苷酸鏈的糖一磷基因交替結(jié)合的骨架，而踏板就是堿基。DNA雙螺旋是右旋螺旋。不同磷酸鹽基團(tuán)之間的凹槽仍然暴露在外。主溝寬2.2納米，而小溝寬1.2納米。兩個凹槽的不同寬度決定了蛋白質(zhì)對不同堿基的可接觸性，這取決于堿基是在主溝還是小溝中。與DNA的蛋白質(zhì)，如轉(zhuǎn)錄因子，通常與處在大溝中的堿基接觸。