Åren 1951–53 tillhörde Watson forskargruppen kring proteinkristallograferna Max Perutz och John Kendrew vid Cavendish Laboratory i Cambridge. I denna grupp kom han att utveckla ett intensivt samarbete med Francis Crick beträffande strukturen av DNA (dubbelspiralstrukturen) och den genetiska koden, för vilket de tillsammans med Maurice Wilkins delade 1962 års Nobelpris i medicin