Работы Уотсона посвящены изучению структуры ДНК, выяснению роли РНК в синтезе белка, расшифровке генетического кода. Обобщив данные о химических и физических свойствах ДНК (в частности, данные о ее составе, о соотношении между разными типами азотистых оснований – пуринами и пиримидинами) и используя результаты М.Уилкинса по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллах ДНК, Уотсон совместно с Ф.Криком построил в 1953 модель трехмерной структуры этой молекулы (модель Уотсона – Крика). Согласно этой модели, остов ДНК составляют две сахарофосфатные цепочки, образующие двойную спираль. Цепочки соединены друг с другом плоскими азотистыми основаниями, так что вся структура напоминает винтовую лестницу. Модель Уотсона – Крика позволила объяснить, как происходит репликация (удвоение) ДНК при делении клетки, и положила начало изучению процесса передачи генетической информации при синтезе белка. Уотсону принадлежит гипотеза о полуконсервативном механизме репликации ДНК. Известны также его работы по изучению структуры вирусов и выяснению их роли в возникновении злокачественных заболеваний.