Under de betingelser, der findes i celler, vedtager DNA en dobbelt helixstruktur. Selvom der findes flere variationer på denne dobbelte helixstruktur, har de alle den samme grundlæggende snoede stigeform. Denne struktur giver DNA fysiske og kemiske egenskaber, der gør det meget stabilt. Denne stabilitet er vigtig, fordi den forhindrer de to DNA-tråde i at bryde adskilt spontant og spiller en vigtig rolle i den måde, hvorpå DNA kopieres.
Termodynamik
Entropi er en fysisk egenskab, der er analog med uorden. Den anden lov om termodynamik antyder, at processer som dannelsen af en dobbelt helix vil kun ske spontant, hvis de resulterer i en nettoforøgelse af entropi (primært angivet ved frigivelsen af varme). Jo større stigning i entropi, der ledsager dannelsen af helixen, jo større frigørelse af varme i molekylets omgivelser og jo mere stabil vil dobbelthelixen være. Den dobbelte helix er stabil, fordi dens dannelse fører til en stigning i entropi. (I modsætning hertil fører DNA-nedbrydning til et fald i entropi som indikeret ved absorption af varme.)
Nukleotider
DNA-molekylet er lavet af mange underenheder bundet til hinanden i en lang, snoet stigenlignende kæde. De enkelte underenheder kaldes nukleotider. DNA i celler findes næsten altid i dobbeltstrenget form, hvor to polymerstrenge er bundet sammen for at danne et enkelt molekyle. Ved pH (saltkoncentration) og temperaturforhold, der findes i celler, resulterer dannelse af en dobbelt helix i en nettostigning i entropi. Dette er grunden til, at den resulterende struktur er mere stabil, end de to tråde ville være, hvis de forblev adskilte.
Stabiliserende faktorer
Når to DNA-tråde kommer sammen, danner de svage kemiske bindinger kaldet hydrogenbindinger mellem nukleotiderne i de to kæder. Bonddannelse frigiver energi og bidrager således til en nettoforøgelse af entropi. En yderligere entropi boost kommer fra interaktioner mellem nukleotiderne i midten af helixen; disse kaldes base-stacking interaktioner. De negativt ladede fosfatgrupper i rygraden i DNA-strengene afviser hinanden. Denne destabiliserende vekselvirkning overvindes imidlertid af de gunstige brintbinding- og basisstabel-interaktioner. Dette er grunden til, at dobbelt-helix-strukturen er mere stabil end enkelte tråde: dens dannelse forårsager en nettogevinst i entropi.
DNA-former
DNA kan vedtage en af flere forskellige dobbelte helixstrukturer: disse er A-, B- og Z-formerne for DNA. B-formen, den mest stabile under cellulære betingelser, betragtes som "standard" -formen; det er den, du typisk ser i illustrationer. A-formen er en dobbelt helix, men er meget mere komprimeret end B-formen. Og Z-formen er snoet i den modsatte retning end B-formen, og dens struktur er meget mere "strakt ud." A-formen findes ikke i celler, selvom nogle aktive gener i celler ser ud til at vedtage Z-form. Forskere forstår endnu ikke fuldt ud, hvilken betydning dette kan have, eller om dette har nogen evolutionær betydning.