DNA是由重復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。盡管每個單體占據相當小的空間，但DNA聚合物的長度可以非常長，因為每個鏈可以有數百萬個核苷酸。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的雙鏈，彼此交織在一起形成一個叫做雙螺旋的結構。每個核苷酸由可與相鄰核苷酸共價鍵結合的側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結合成為核苷酸。

DNA骨架結構是由磷酸與糖類基團交互排列而成。組成脫氧核糖核酸的糖類分子為環狀的2-脫氧核糖，屬于五碳糖的一種。磷酸基團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結構，但結構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，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，兩側扶手是兩條多核苷酸鏈的糖一磷基因交替結合的骨架，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，如轉錄因子，通常與處在大溝中的堿基接觸。