在脫氧核糖核酸分子中，含氮堿基為腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。每一種堿基與一個糖和一個磷酸結合形成一種核苷酸。在其雙鏈螺旋結構中，磷酸-糖-磷酸-糖的序列，構成了多苷酸主鏈。在主鏈內側連結著堿基，但一條鏈上的堿基必須與另一條鏈上的堿基以相對應的方式存在，即腺嘌呤對應胸腺嘧啶(A對T或T對A)鳥嘌呤對應胞嘧啶(C對G或G對C)形成堿慕對，這種排布方式叫堿基互補原則，亦稱堿基配對原則。
DNA雙螺旋結構中，位于兩條方向相反、相互平行多核苷酸鏈上的嘌呤嘧啶堿基，圍繞著螺旋軸，通過形成氫鍵，互相搭配成對，稱為堿基配對。堿基配對，即一條長鏈上的A，總是與另一條長鏈上的T形成氫鍵; 而G總是與C形成氫鍵。即A=T、G≡C。沃森—克里克把這種堿基的特異結合方式稱作“堿基互補原則”。DNA除自我復制外，還能以DNA的一條單鏈為模板，通過堿基互補配對合成一條RNA單鏈，即轉錄。復制、轉錄和逆轉錄都是通過堿基配對而生成新的核酸分子。已知一條核酸鏈的排列順序，其互補鏈的堿基順序即可確定。
成對的堿基由氫鍵聯結，在脫氧核糖核酸分子中，相互對應的堿基稱為互補堿基，兩條核苷酸鏈稱為互補鏈。由于存在著堿基配對關系，一條核苷酸的堿基順序一旦確定下來，另一條與之互補的核苷酸鏈上的堿基順序也相應確定下來，在脫氧核糖核酸分子中，每對堿基與其相鄰的堿基對的排列順序是隨機的，堿基對的排列順序有許多種，其中每一種排列都包含著豐富的遺傳信息，核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)結構相似，但核糖核酸由一條核苷酸鏈組成，這條鏈上所聯結的堿基只有一種與脫氧核糖核酸不同，用尿嘧啶(U)取代了胸腺嘧啶(T)，因此當核糖核酸上的堿基需要與脫氧核糖核酸的堿基配對時，存在著腺嘌呤與尿嘧啶的對應關、系(A對U或U對A)，分子生物學已闡明核酸分子中每3個堿基編成一個密碼子，決定一個氨基酸，在蛋質合成過程中，核酸分子上堿基的線性排列作為模板指揮氨基酸的裝配順序，決定了蛋白質的差異，因此也決定了生物的構造和功能方面的差異；在脫氧核糖核酸自我復制過程中堿基排列順序起著模板作用，指揮游離的核苷酸。支配其裝配順序便聯成一個多核苷酸新鏈。堿基互補原則是遺傳的生物學機制之一。它揭示了具有重大哲學意義的基因-表現型同構關系，深化了人們對復雜的宇宙和對人類自身的認識。