Er arbeitete mit Francis Crick zusammen. Watsons Ehrgeiz war es, an der nächsten großen Entdeckung in der Wissenschaft teilzuhaben, von der er glaubte, dass sie die Struktur der DNA sein würde.Nachdem er Maurice Wilkins vom King’s College in London gehört hatte, wie er die DNA mit Hilfe der Röntgenkristallographie fotografierte, gelang es Watson, sich einen Platz im Cavendish-Labor an der Universität von Cambridge zu sichern, wo die gleiche Technik verwendet wurde. Dort gab es bereits einen Doktoranden namens Francis Crick. Sie waren ein unwahrscheinliches Paar, aber innerhalb von 30 Minuten nach ihrem Treffen begannen sie einen Dialog über die Struktur der DNA, der in den nächsten zwei Jahren immer wieder aufgenommen wurde.
Watson sollte eigentlich an der Struktur von Viren arbeiten und Crick an der Struktur von Proteinen, aber die DNA rief. Inspiriert durch den Modellbau von Linus Pauling erstellten Watson und Crick ein Modell der DNA-Struktur unter Verwendung von Röntgenkristallographie-Daten des King’s College und Erkenntnissen anderer Forscher. Nach einem gescheiterten Versuch entwickelten sie das heute berühmte Modell der Doppelhelix. Die Doppelhelix wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht sofort akzeptiert, aber mit der Zeit wurde klar, dass sie Recht hatten, und 1962 wurden sie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.