Под условима утврђеним у ћелијама, ДНК усваја структуру двоструке завојнице. Иако постоји неколико варијација на овој структури двоструке завојнице, све оне имају исти основни облик увијених лестви. Ова структура даје ДНК физичка и хемијска својства која је чине врло стабилном. Ова стабилност је важна јер спречава да се два ДНК ланца спонтано распадну и игра важну улогу у начину копирања ДНК.
Термодинамика
Ентропија је физичко својство аналогно поремећају. Други закон термодинамике сугерише да ће процеси попут стварања двоструке завојнице дешавају се спонтано само ако резултирају нето повећањем ентропије (на шта указује углавном ослобађање топлота). Што је већи пораст ентропије који прати формирање завојнице, веће ослобађање топлоте у околину молекула и двострука завојница ће бити стабилнија. Двострука завојница је стабилна јер њено формирање доводи до повећања ентропије. (Насупрот томе, распад ДНК доводи до смањења ентропије на шта указује апсорпција топлоте.)
Нуклеотиди
Молекул ДНК је направљен од многих подјединица везаних једна за другу у дугачком, увијеном ланцу налик на лестве. Појединачне подјединице називају се нуклеотиди. ДНК у ћелијама се готово увек налази у дволанчаном облику, где су две полимерне нити повезане заједно да би створиле један молекул. При пХ (концентрацији соли) и температурним условима који се налазе у ћелијама, стварање двоструке завојнице резултира нето порастом ентропије. Због тога је резултујућа структура стабилнија него што би биле две нити ако би остале одвојене.
Фактори стабилизације
Када се две вериге ДНК споје, оне стварају слабе хемијске везе које се називају водоничним везама између нуклеотида у два ланца. Стварање веза ослобађа енергију и на тај начин доприноси нето повећању ентропије. Додатни подстицај ентропије долази од интеракција између нуклеотида у центру завојнице; то се називају интеракције слагања базе. Негативно наелектрисане фосфатне групе у окосници ДНК ланаца се одбијају. Међутим, ову дестабилизујућу интеракцију превазилазе повољне интеракције водоничног везивања и слагања базе. Због тога је структура двоструке завојнице стабилнија од појединачних нити: њено формирање узрокује нето добит у ентропији.
Облици ДНК
ДНК може да усвоји једну од неколико различитих структура двоструке завојнице: то су А, Б и З облици ДНК. Облик Б, најстабилнији у ћелијским условима, сматра се „стандардним“ обликом; то је онај који обично видите на илустрацијама. Облик А је двострука завојница, али је много компримованији од облика Б. А, облик З је увијен у супротном смеру од облика Б и његова структура је много више "испружи." Облик А није пронађен у ћелијама, иако изгледа да неки активни гени у ћелијама усвајају З облик. Научници још увек не разумеју у потпуности какав значај ово може имати или да ли има било какав еволутивни значај.