沃森出生于美国芝加哥。孩提时代就非常聪明好学，他有一个口头禅就是“为什么?”，往往简单的回答还不能满足他的要求。他通过阅读《世界年鉴》记住了大量的知识，因此在参加的一次广播节目比赛中获得“天才儿童”的称号，而赢得100美元的奖励。他用这些钱买了一个双筒望远镜，专门用它来观察鸟。这也是他和爸爸的共同爱好。
由于有异常天赋，沃森15岁时就进入芝加哥大学就读。在大学的学习中，凡是他喜欢的课程就学得好，例如《生物学》，《动物学》成绩特别突出。而不喜欢的课程就不怎么样了。他曾打算以后能读研究生，专门学习如何成为一名“自然历史博物馆”中鸟类馆的馆长。 在大学高年级时，沃森阅读了一本艾尔文·薛定谔的书《生命是什么？》。他深深地被控制生命的奥秘的基因和染色体吸引住了。当S·卢里亚（一位从事噬菌体研究的先驱者）成为他的博士生导师时，沃森就有了很好的机会来从事这方面的研究了。
1950年完成博士学业后，沃森来到了欧洲。先是在丹麦的哥本哈根工作，后来就加入著名的英国剑桥大学的卡文迪什实验室工作。从那时起，沃森知道DNA是揭开生物奥秘的关键。他下决心一定要解决DNA的结构问题。他很幸运能和弗朗西斯·克里克共事。尽管彼此的工作内容不同，但两人对DNA的结构都非常感兴趣。当他们终于在1953年建构出第一个DNA的精确模型时，完成了被认为是至今为止科学上最伟大的发现之一。
1956沃森到哈佛大学任生物学的助理教授。在那里他的研究重点是RNA和RNA在基因信息传递中所起的作用。1976年沃森担任美国冷泉港实验室主任。沃森使冷泉港实验室成为世界上最好的实验室之一，该实验室主要从事肿瘤、神经生物学和分子遗传学的研究。
1962年，沃森与克里克，偕同威尔金斯共享诺贝尔生理或医学奖。莫里斯·威尔金斯和罗莎琳德·富兰克林提供了有关DNA结构的必要数据。沃森为此专门写了一本书《双螺旋－发现DNA结构的故事》，于1968年发表。这本书是首次采用谈话的形式描述进行科学发现的详细过程，一直畅销不衰。 2007年10月16日开始抵达英国进行巡回演讲的沃森表示，黑人不如白人聪明；有关不同种族智力水平相同的观点是一种错觉。这种说法立即引起多方猛烈抨击。西方国家对非洲国家的政策错误地建立在这样一种假设的基础上，即认为黑人与白人同样聪明，但试验证明事实并非如此。沃森声称，10年之内都无法找到造成人类智商差别的基因。
此前，沃森15日在接受采访时也曾表示，他“对非洲的前途天生悲观”，因为“我们所有的社会政策都基于这样一个设想：非洲人的智力与我们相同，但所有试验都表明并非如此”。他说，人们有一种自然的愿望，认为所有人应该平等，但“那些和黑人雇员打交道的人发现事实不是这样”。 2014年12月4日，美国佳士得拍卖行当地时间拍卖诺贝尔生理学或医学奖得主、DNA双螺旋结构发现者之一、美国科学家詹姆斯·沃森的诺贝尔奖牌，不出数分钟即以475万美元成交。这是第一位在世诺贝尔奖得奖者拍卖奖牌，成交价较估计的250万至350万美元高出很多。
沃森因与研究伙伴共同发现脱氧核醣核酸(DNA)双螺旋结构而在1962年获颁诺贝尔医学奖，被称为“DNA之父”。此后因发表涉种族言论，遭业界排挤，事业每况愈下。
沃森希望借这次拍卖“重新投入公众社会”。沃森坦承以前“愚蠢”，为往事道歉，这次拍卖所得一部分将捐给母校芝加哥大学和曾任职的剑桥大学克莱尔学院，余款将用于补贴生计。
佳士得也同时拍卖沃森在获奖宴会上发表演说的5页纸手稿，成交价为36.5万美元。
