Travaillant avec Francis Crick. L’ambition de Watson était de faire partie de la prochaine grande découverte scientifique, qui, selon lui, serait la structure de l’ADN.Après avoir entendu Maurice Wilkins, du King’s College de Londres, parler de l’utilisation de la cristallographie aux rayons X pour photographier l’ADN, Watson a réussi à obtenir une place au laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge, où la même technique était utilisée. Il y a déjà un étudiant diplômé nommé Francis Crick. Ils formaient un couple improbable, mais dans les 30 minutes suivant leur rencontre, ils ont entamé un dialogue sur la structure de l’ADN qui allait se poursuivre par intermittence pendant les deux années suivantes.
Watson était censé travailler sur la structure des virus, et Crick sur celle des protéines, mais l’ADN les a appelés. Inspirés par le modélisme de Linus Pauling, Watson et Crick ont réalisé un modèle de la structure de l’ADN en utilisant les données de la cristallographie aux rayons X du King’s college et les idées d’autres chercheurs. Après une tentative ratée, ils développent le modèle désormais célèbre de la double hélice. La double hélice n’a pas été immédiatement adoptée par la communauté scientifique, mais avec le temps, il est devenu évident qu’ils avaient raison, et en 1962, ils ont reçu le prix Nobel.