核酸的多核苷酸鏈在次級鍵的基礎上，還可形成更為複雜的二級及三級的高級結構。
1．二級結構1953年Watson 及Crick在化學分析及X光衍射法觀察DNA結構的基礎上提出了著名的DNA雙螺旋結構模型（double helix model）此結構是在核酸一級結構基礎上形成的更為複雜的高級結構，即DNA的二級結構，DNA的二級結構即雙螺旋結構，其內容可歸納為：
（1）DNA分子為二條多核苷酸鏈以一共同軸為中心，盤繞成右手雙螺旋結構。螺旋直徑2nm。螺旋盤繞形成鏈間的兩種溝，即寬的大溝與狹窄的小溝。
（2）二條多核苷酸鏈的走向相反，通常取左側鏈從上到下為5』→3』端，右則鏈從下向上為5』→3』端，這樣二條鏈構成反平行排列的雙螺旋。
（3）二條多核苷酸鏈借氫鍵而連繫在一起。氫鍵乃一鏈鹼基上-NH2的氫與另一鏈上鹼基的氧或氮形成。鹼基有二個氫鍵，G與C之間有三個氫鍵（圖18-3）。這種相配關係稱為鹼基互補或鹼基配對。配對的鹼基處於同一平面，此平面與雙螺旋的中心軸垂直，由於二條鏈中鹼基互補，所以二鏈彼此又稱為互補鏈。
（4）鹼基對之間氫鍵的能量為3～7kcal/mol，由於氫鍵多，所以可維繫DNA雙鏈結構。另外鹼基對彼此間距離為0.34nm,每一螺旋含10個鹼基對，故螺距為3.4nm，相鄰鹼基對間彼此尚有範德瓦士（van der Waals）力作用（此力量為1～2kcal/mol,作用範圍為0.5nm），能量雖弱但由於鹼基對多，合力也就大。可見鹼基對的氫鍵及鹼基對之間的範德瓦士力是穩定DNA成雙螺旋結構的主要能量。
上述DNA的雙螺旋結構是溶液及活體中常見的形式，通稱B型。當B型所處條件的溼度低於75%時，可轉變為A型。A型的鹼基對不垂直於雙螺旋的軸、傾斜約20度，螺距降為2.8nm，每一螺旋含11個鹼基對。B型與A型的水合程度不同，它們是DNA分子在天然條件下的兩種基本形式。除A、B型外尚發出有C型雙螺旋，似B型，螺距3.3nm，第一螺旋含9個鹼基對。