DNA典型的二级结构为右手双螺旋结构。此外，DNA分子还存在局部左手双螺旋结构、十字形结构和三股螺旋结构等。
1953年，Watson和Crick结合Chargaff规则及Franklin和Wilkins对DNA纤维X射线衍射图的研究，提出了经典的DNA二级结构模型——双螺旋结构模型（double helix model）。
B-DNA双螺旋结构模型
1.两股DNA链反向互补形成双链结构
在该结构中，DNA主链位于外面，碱基侧链位于内部（但是暴露于大沟和小沟内）。双链碱基形成Watson-Crick碱基配对，即腺嘌呤（A）以两个氢键与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）以三个氢键与胞嘧啶（C）结合，这种配对称为碱基配对原则。由此，一股DNA链的核苷酸序列决定着另一股DNA链的核苷酸序列，两股DNA链称为互补链。
Watson-Crick碱基配对
2.DNA双链进一步形成右手双螺旋结构
在双螺旋结构中，碱基平面与螺旋轴垂直，糖基平面与碱基平面接近垂直，与螺旋轴平行；双螺旋直径为2nm，每一螺旋含10bp（bp为双链核酸长度单位，1bp为1个碱基对），螺距为3.4nm，相邻碱基对之间的轴向距离为0.34nm；双螺旋表面有两道沟槽，相对较深、较宽的为大沟（轴向沟宽2.2nm），相对较浅、较窄的为小沟（轴向沟宽1.2nm）。
3.氢键和碱基堆积力维持DNA双螺旋结构的稳定性
碱基对氢键维持双链结构的横向稳定性，即双链结构。碱基对平面之间的碱基堆积力（base-stacking force，包括范德华力和疏水作用）维持双螺旋结构的纵向稳定性，即螺旋结构。
上述右手双螺旋结构模型是92%相对湿度下制备的DNA钠盐纤维的二级结构，称为B-DNA。在溶液状态下，B-DNA每一螺旋含10.4～10.5bp，螺距为3.6nm，且形成碱基对的两个碱基并非共面，而是形成螺旋桨结构。细胞内DNA几乎都以B-DNA结构存在。
DNA还局部存在其他二级结构，例如A-DNA、Z-DNA、十字形结构、三股螺旋结构。
几种DNA双螺旋结构
1.A-DNA 也是右手螺旋DNA，但与B-DNA相比大沟变窄变深，小沟变宽变浅。A-DNA双螺旋直径为2.6nm，每一螺旋含11bp，螺距为2.9nm。A-DNA是75%相对湿度下制备的DNA钠盐纤维的二级结构。在细胞内，某些DNA-蛋白质复合物中含A-DNA，RNA双链区及某些DNA-RNA杂交双链的二级结构与A-DNA一致。
2.Z-DNA 是左手螺旋DNA，是1979年Rich等用X射线衍射技术分析人工合成的DNA片段CGCGCG晶体时发现的。Z-DNA双螺旋主链呈锯齿状，其表面只有一道沟槽，相当于B-DNA的小沟，窄而深。Z-DNA双螺旋直径为1.8nm，每一螺旋含12bp，螺距为4.5nm。研究表明，生物体内DNA中富含CpG的序列容易形成Z-DNA结构，其功能可能是参与基因表达调控或DNA重组。
3.十字形结构 双链DNA中存在许多反向重复序列（IR），这种序列可以形成十字形结构。这种结构可能有助于DNA与DNA结合蛋白（DBP）结合，影响基因表达。此外，大肠杆菌DNA复制起点也存在十字形结构。人类基因组约含5%的反向重复序列。
DNA反向重复序列与十字形结构
