双链DNA中碱基对是基本结构单元，其中鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）通过两个N—H氢键和一个O—H氢键的弱相互作用形成G:C碱基对、腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）通过O—H和N—H两个氢键的弱相互作用形成A:T碱基对。

双链DNA按照结构的差异可分为A型、B型、Z型等。其中B型双链DNA的旋转方向向右，是右旋的双螺旋结构，生命体中双链DNA主要以此结构存在；A型双链DNA的旋转方向与B型相似，也是右旋的双螺旋结构，但是在每一螺旋中的碱基对比B型双链DNA多，它的螺距较小；Z型双链DNA的旋转方向与A、B型DNA相反，是左旋的双螺旋结构，在每一螺旋中的碱基对也比较多，并且它的螺距较大。双链DNA的旋转方向并不是绝对固定不变的，右旋结构的DNA在一些特殊的环境或生命过程中可以转变为左旋结构，DNA螺旋方向的变化可能会引起一些疾病的发生。双链DNA的螺旋结构中有两个沟区，双螺旋互补的双链间存在一个窄而较深的小沟区，而相邻双链间有一个宽而较浅的大沟区。DNA双螺旋结构中的小沟区和大沟区是探针分子识别和结合的位点，美国的P.B.德万^[注]发明的N-甲基吡咯、羟基N-甲基吡咯和N-甲基咪唑通过酰胺键结合的寡聚酰胺分子，可以在小沟区选择性识别和高亲和性结合双链DNA的特定序列，是高活性的新型DNA识别分子。发展特异性识别和结合双链DNA的生物活性分子调控癌基因的表达和功能是研究、治疗人类癌症的新策略。

正常的双链DNA在一些生命过程中需要解链形成两条单链，其富G碱基单链可形成特殊G-四链体结构，互补的富C碱基单链可形成新颖的i-motif结构，它们都是化学药物小分子识别和结合的新靶点。在长链的双链DNA中可存在少数不按照沃森和克里克规则配对的碱基，具有错配碱基对的特殊结构单元，错配碱基对的出现可能影响双链DNA的正常生物功能或产生疾病。