分子生物学起源于细胞化学的研究。
大约在1836年，著名瑞典化学家柏采留斯提出了“蛋白质”的概念。1842年，李比希证实了蛋白质是生命的基本构成物质。后来发现，蛋白质由20种氨基酸组成，而氨基酸则是由氨基和羧基联成的。蛋白质越来越被证明是生物体内的主要组成部分。
1869年，瑞士生物化学家米歇尔从病人绷带上取下来的脓细胞中发现了一种与蛋白质不同的物质，称之为核素。由于它呈酸性，后来改称核酸。1911年，俄裔美国化学家列文查明核酸有两种，一种是核糖核酸（RNA），另一种是脱氧核糖核酸（DNA）。列文还建立了核酸的结构模型。但这个模型过于简单，以致不能设想核酸在遗传中起什么作用。受该模型的影响，许多人只好设想可能是蛋白质的20种氨基酸的不同组合构成了遗传信息。
摩尔根的基因学说建立之后，许多生物化学家致力于确定基因的物质基础。事实上，从19世纪末开始，就已经有人提出染色体的主要成分就是核酸，但受列文的核酸结构模型的影响，人们不相信遗传物质是由核酸构成的，这些观点因而也得不到学界的承认。
打开这一僵局的是关于肺炎双球菌的研究。这种病菌有两种，一种有外膜，有传染性，另一种没有外膜，没有传染性。1928年，英国生物学家格里菲思发现有一种转化因子能使无膜病菌变为有膜病菌，这令他感到非常奇怪。当时谁也不能解释这种现象，因而称为格里菲思之谜。1944年，美国细菌学家艾弗里领导的研究小组花了10年时间，最终证明了这种转化因子就是DNA。艾弗里等人用实验事实初步证明了，DNA确实是遗传信息的载体。
德裔美国生物学家德尔布吕克及其小组关于噬菌体的研究最终支持了艾弗里的结论。德尔布吕克少年时喜爱天文学，后改学理论物理学，是玻尔的学生、薛定谔的好友。他们共同提出的遗传信息的思想，反映在薛定谔后来所写的《生命是什么》一书中。由于逐渐对生命的本质感兴趣，德尔布吕克于1938年来到美国，改行专门研究基因问题。他的小组选择噬菌体作为研究对象，因为这种小生命只有两种类型的分子即蛋白质和核酸，结构简单，繁殖又快。起初他们相信蛋白质是遗传物质。1952年，他们最终发现，在噬菌体的繁殖过程中，噬菌体本身并不钻入细菌体内，而只是将自己的DNA注入其中。这就证明了，在噬菌体的繁殖过程中，传递遗传物质的是DNA而不是蛋白质。
在艾弗里和德尔布吕克工作的鼓励下，生物化学家重新考察了核酸的结构。列文已经指出DNA有四种碱基，但他认为这四种碱基的含量相等，因而提出了一种简单的核酸结构模型。1950年，奥地利裔美国生物化学家查哥夫通过精密的测定发现四种碱基的含量并不相等，但是腺嘌呤与胸腺嘧啶数量几乎一样，鸟嘌呤与胞嘧啶的数量也一样。这就动摇了束缚了人们数十年的列文模型。人们不再怀疑DNA就是遗传物质的载体了。
下一步就是要搞清楚DNA的化学结构以及它在蛋白质中产生什么样的化学作用，从而支配着蛋白质的合成。时间已经到了20世纪50年代，不仅关于生物大分子化学的研究已有一定水平，运用X射线等先进的物理学方法研究生物大分子的晶体结构也取得了重大的突破。后一工作主要是在英国进行的。1951年，英国生物物理学家维尔金斯研究了DNA的晶体结构，给出了关于DNA纤维的X射线衍射图。这些工作为DNA双螺旋结构的发现打下了基础。
完成这一伟大工作的是美国生物学家沃森和英国生物学家克里克。沃森本来是艾弗里创立的闻名世界的噬菌体研究小组的年轻成员，克里克则是英国结构学派的成员。1951年11月，两人在剑桥大学的卡文迪许实验室相遇，很快发现双方都对DNA的分子结构极感兴趣，遂决定合作研究。
当时已经有好几个小组在做类似的工作。一是英国的维尔金斯和女生物物理学家弗兰克林，他们已经拍下了非常清晰的X射线衍射图。再就是美国的著名化学家鲍林。这两个小组实际上已经搞清楚了DNA的螺旋结构。
沃森和克里克抓紧时间研究已经获得的数据，于1951年年底提出了第一个模型。这个模型是一个由三股链组成的螺旋结构，但后来发现，由于少算了DNA的含水量而设想的三股链是不对的。第一个模型失败了。
1952年7月，克里克从查哥夫处得知DNA所含四种碱基含量中腺嘌呤与胸腺嘧啶数量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的数量也相等，便提出了碱基配对的思想。1953年2月，他们又得到了维尔金斯和弗兰克林关于DNA结构的新照片和新数据。沃森决定建立一个二链成对的DNA双螺旋模型。1953年4月，他们终于将新的DNA结构模型在《自然》杂志上公之于世。
这是一个成功的DNA分子结构模型。它由两条右旋但反向的链绕同一个轴盘绕而成，活像一架螺旋形的梯子。生命的遗传密码就刻在梯子的横档上。
DNA双螺旋结构模型的提出是生物学史上划时代的事件。它宣告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。以此为开端，生物学各个领域均发生了巨大的变化。沃森、克里克和维尔金斯因此获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。
DNA结构的发现给解决遗传信息的传递问题带来了新的希望。DNA由4种碱基组成，而蛋白质由20种氨基酸组成，4种碱基如何才能决定20种氨基酸的排列组合呢？1944年，著名量子物理学家薛定谔出版了《生命是什么》一书，提出了遗传密码的思想。他认为，莫尔斯电码只用了点和划两种符号，通过排列组合就可以产生几十种代号，基因分子一定也可以按如此方式进行编码。
1954年，曾提出大爆炸模型的著名物理学家伽莫夫提出，DNA的四种碱基可能就是基本的密码符号。如果只用两个碱基进行组合，四种碱基只能得到16种可能性，比氨基酸的数目还少；如果用三个碱基进行组合，则能得到64种可能性，又比氨基酸的数目多。于是他假定，有些氨基酸可以对应几种碱基密码。这就是著名的三联密码假说。这个由一位业余生物学爱好者提出的科学假说，后来被证明最具科学价值。
1959年，克里克声明支持伽莫夫的三联密码假说。他认为，DNA通过信使RNA将遗传信息由细胞核传送到细胞质，再在细胞质中决定蛋白质的合成。这个假说被后来的一系列实验证实。1966年，64种遗传密码被全部破译。
遗传密码的破译导致了一门新的学科即遗传工程的出现。所谓遗传工程，就是用人工的方法将生物体内的DNA分离出来，重新组合搭配，再放回生物体中，创造新的生物品种。20世纪70年代以来，遗传工程取得了重大的突破，它将在农业生产和医疗卫生领域产生巨大的影响。
在分子水平上探索生命的奥秘成了20世纪后半叶生命科学的主流。搞清了遗传密码、阐明了蛋白质的合成机制，为生物学的大发展奠定了良好的基础。但是生命的奥秘是无穷的，人类对生命本质的探索也将永无穷尽。
