1951年～1953年在英国期间，詹姆斯·杜威·沃森和英国生物学家F.H.C.克里克合作，提出了DNA的双螺旋结构学说。这个学说不但阐明了DNA的基本结构，并且为一个DNA分子如何复制成两个结构相同DNA分子以及DNA怎样传递生物体的遗传信息提供了合理的说明。它被认为是生物科学中具有革命性的发现，是20世纪最重要的科学成就之一。
由于提出DNA的双螺旋模型学说，沃森和克里克及M.H.F.威尔金斯一起获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。著有《基因的分子生物学》《双螺旋》等书。此外，他还获得了许多科学奖和不少大学的荣誉学位。
此外，沃森在生物科学的发展中也起了非常大的作用，例如在攻克癌症研究上，在重组DNA技术的应用上等等。他还是人类基因组计划的倡导者，1988年至1993年曾担任人类基因组计划的主持人。
沃森另一个感兴趣的问题就是教育，他的第一本教科书《基因的分子生物学》为生物学课本提供了新的标准。随后陆续出版了《细胞分子生物学》《重组DNA》。他还积极探索利用多媒体进行教育的方法，并且通过互联网设立DNA学习中心，这一中心也成为冷泉港实验室的教育助手。
