A sejtekben található körülmények között a DNS kettős spirálszerkezetet alkalmaz. Noha ennek a kettős spirálszerkezetnek több változata létezik, mindegyiknek ugyanaz az alapvető csavart létra alakja. Ez a szerkezet fizikai és kémiai tulajdonságokat ad a DNS-nek, amelyek nagyon stabilá teszik. Ez a stabilitás azért fontos, mert megakadályozza a két DNS-szál spontán szétesését, és fontos szerepet játszik a DNS másolásában.
Termodinamika
Az entrópia a rendellenességhez hasonló fizikai tulajdonság. A termodinamika második törvénye azt sugallja, hogy olyan folyamatok, mint a kettős spirál kialakulása spontán csak akkor történnek, ha az entrópia nettó növekedését eredményezik (főként a hő). Minél nagyobb az entrópia növekedése, amely a hélix képződésével jár, annál nagyobb a hő felszabadulása a molekula környezetébe, és annál stabilabb lesz a kettős spirál. A kettős spirál stabil, mert kialakulása az entrópia növekedéséhez vezet. (Ezzel szemben a DNS felbomlása az entrópia csökkenéséhez vezet, amit a hő abszorpciója jelez.)
Nukleotidok
A DNS-molekula sok alegységből áll, amelyek hosszú, sodrott létraszerű láncban kapcsolódnak egymáshoz. Az egyes alegységeket nukleotidoknak nevezzük. A sejtekben lévő DNS szinte mindig kettős szálú formában található meg, ahol két polimer szál kapcsolódik össze egyetlen molekulát alkotva. A sejtekben található pH (sókoncentráció) és hőmérsékleti viszonyok mellett a kettős spirál képződése az entrópia nettó növekedését eredményezi. Ezért a kapott szerkezet stabilabb, mint a két szál, ha külön maradnának.
Stabilizáló tényezők
Amikor két DNS-szál összeér, gyenge kémiai kötéseket képeznek, amelyeket hidrogénkötéseknek neveznek a két lánc nukleotidjai között. A kötésképződés energiát szabadít fel, és ezáltal hozzájárul az entrópia nettó növekedéséhez. További entrópia-fellendülés a hélix közepén lévő nukleotidok közötti kölcsönhatásokból származik; ezeket bázis-halmozási interakcióknak nevezzük. A negatív töltésű foszfátcsoportok a DNS-szálak gerincében taszítják egymást. Ezt a destabilizáló interakciót azonban legyőzi a kedvező hidrogénkötési és bázis-egymásra hatás. Ezért a kettős spirál szerkezet stabilabb, mint az egyes szálak: kialakulása nettó nyereséget okoz az entrópiában.
A DNS formái
A DNS többféle kettős spirálszerkezet egyikét tudja elfogadni: ezek a DNS A, B és Z formái. A B forma, amely a sejt körülmények között a legstabilabb, "standard" formának tekinthető; ez az, amelyet általában az illusztrációkon lát. Az A forma kettős spirál, de sokkal jobban összenyomódik, mint a B forma. És a Z forma ellentétes irányba van csavarva, mint a B forma, és szerkezete sokkal több "kinyújtott." Az A forma nem található a sejtekben, bár úgy tűnik, hogy a sejtekben néhány aktív gén elfogadja a sejteket Z forma. A tudósok még nem értik teljesen, hogy ennek milyen jelentősége lehet, vagy ennek van-e evolúciós jelentősége.