Trabajando con Francis Crick. La ambición de Watson era formar parte del próximo gran descubrimiento de la ciencia, que creía que sería la estructura del ADN.Después de escuchar a Maurice Wilkins del King’s College de Londres hablar sobre el uso de la cristalografía de rayos X para fotografiar el ADN, Watson consiguió una plaza en el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridg donde se utilizaba la misma técnica. Ya había un estudiante graduado llamado Francis Crick. Eran una pareja improbable, pero a los 30 minutos de conocerse iniciaron un diálogo sobre la estructura del ADN que continuaría de forma intermitente durante los dos años siguientes.
Watson debía trabajar en la estructura de los virus y Crick en la de las proteínas, pero el ADN le llamó. Inspirados por la creación de modelos de Linus Pauling, Watson y Crick crearon un modelo de la estructura del ADN utilizando los datos de la cristalografía de rayos X del King’s College y las ideas de otros investigadores. Tras un intento fallido, desarrollaron el ahora famoso modelo de la doble hélice. La doble hélice no fue aceptada de inmediato por la comunidad científica, pero con el tiempo quedó claro que tenían razón y en 1962 recibieron el Premio Nobel.