真核生物DNA主要分布在染色体，此外在线粒体、叶绿体也有分布。原核生物基因组和质粒，以及非RNA病毒和噬菌体的基因组核酸均由DNA构成。

由4种脱氧核苷酸（见脱氧核苷酸）通过3′，5′-磷酸二酯键连接、形成多聚脱氧核苷酸链组成。多聚脱氧核苷酸链两端分别是自由的5′-磷酸基和3′-羟基。通常约定，表示DNA脱氧核苷酸或碱基排列顺序（DNA一级结构）时自左至右、按5′→3′顺次书写。自然界大多数DNA分子由2条互补的多聚脱氧核苷酸链沿5′→3′方向反向平行，组成DNA双螺旋结构（见DNA双螺旋），只有少数噬菌体DNA和病毒DNA是单链、线性或环状的。真核生物染色体DNA由2条脱氧核糖核苷酸链组成，线性、无分枝。绝大多数线粒体DNA和叶绿体DNA是双链环状，但某些原虫DNA和真菌线粒体DNA是线性分子。大肠杆菌DNA和某些病毒基因组DNA也呈双链、环状。无论是线性DNA还是封闭环状DNA，在双螺旋结构基础上进一步缠绕，形成超螺旋构象，或与蛋白质结合组成染色体（见DNA超螺旋和核小体）。

DNA是生物大分子。物种不同，分子（质）量差异极大，通常（单链DNA）采用核苷酸（nt）或（双链DNA）碱基对（bp）数目表示其大小。原核生物基因组DNA（gDNA）分子较小，如ΦX174噬菌体gDNA由1条单链、环状DNA组成，仅含5386nt；T4噬菌体gDNA是线性、双链DNA，含168千碱基（Kb）；大肠杆菌gDNA为密集折叠的双链、环状DNA，4.6兆碱基（Mb）。真核gDNA分子较大，如啤酒酵母gDNA为13.5mbp，分布在16个染色体上；最小的Ⅰ号染色体DNA为230Kb，最大的Ⅳ染色体DNA为1.52Mb。人类基因组计划（HGP）已测定的人gDNA序列含3289Mb（包括拼接连续克隆群时人为产生的重叠序列），分布在23对染色体；最小的21号染色体DNA为45Mb，最大的1号染色体为279Mb。某些植物的gDNA更大。各种生物线粒体DNA（mtDNA）变化较大，动物mtDNA小于20Kb，例如人mtDNA约为16.6Kb；但酵母mtDNA较大，约80Kb，各种植物mtDNA更大，在0.1～2Mb范围内。

呈酸性，溶于水，抗碱水解能力较RNA强。碱基共轭双键赋予其特征性的紫外吸收光谱，最大紫外吸光值在260纳米。凡能破坏氢键、碱基疏水力（键）的理化因素（如加热、酸、碱、尿素、甲酰胺等）均可使DNA双链或单链DNA分子的局部双链解开、分离，称DNA变性。伴随变性，DNA溶液发生胶体化学和物理化学性质变化，例如紫外光吸收增加（即增色效应）、旋光减低、黏度下降等。在DNA热变性中，使50%DNA变性的温度称为解链温度（T_m），T_m值与DNA分子中“G+C”含量呈正相关。去除变性因素，变性DNA的2条互补链可重新恢复双链结构，称复性。DNA的变性、复性是核酸杂交的基础。

DNA是基因的物质基础，基因组DNA与组蛋白结合组成染色质（见核小体），决定生物个体的遗传性状及物种和个体的变异。DNA编码遗传信息，生物体亲子之间的相似性和继承性，即遗传信息均储存在DNA分子的核苷酸/碱基序列中。原核、真核生物细胞的基因组是双链DNA，其中一条链称非编码链或模板链（曾被称其“负链”或“反义链”），与之互补的另一条链称编码链或正链。在基因转录时，由模板链指导转录的信使RNA（mRNA）碱基序列与编码链相同，仅尿嘧啶（U）替换胸腺嘧啶（T），因此，以mRNA为模板合成的蛋白质/多肽链的氨基酸序列代表了DNA编码链的序列信息。值得注意的是，不同蛋白质/多肽链的基因编码链并非总位于同一DNA链。至2000年人类基因组序列框架草图发布之际，估计人类基因组含31000个蛋白质编码基因，已确立22000个基因；当时塞莱拉基因组公司还鉴定了740个RNA编码基因。此后鉴定的基因数目还在增加。

染色体或基因组稳定性对维持细胞正常生理活动具有重要作用。基因组DNA损伤时可导致染色体不稳定性（CIN）或基因组不稳定性（GIN），引起细胞结构表型或功能表型异常，因此DNA损伤修复与人类健康密切相关。内外环境中的理化及生物学因素可导致DNA损伤。DNA损伤的急性效应是DNA代谢及细胞活动失调；慢性或长期效应是基因突变，与肿瘤、衰老、出生缺陷及多种疾病发生相关。正常细胞存在DNA损伤修复机制（见DNA修复），维持基因组的稳定性。