اقترح واتسون وكريك نموذج تركيب اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA). جزيء الحمض النووي (DNA) هو بوليمر من النيوكليوتيدات. تتكون كل نيوكليوتيدة من قاعدة نيتروجينية، وسكر خماسي الكربون (ديوكسي ريبوز)، ومجموعة فوسفات. توجد أربع قواعد نيتروجينية في الحمض النووي (DNA)، اثنتان من البيورينات (الأدينين والغوانين) واثنتان من البيريميدينات (السايتوسين والثايمين). يتكون جزيء الحمض النووي (DNA) من شريطين. يتكون كل شريط من نيوكليوتيدات مرتبطة تساهميًا بين مجموعة الفوسفات لإحداها وسكر الديوكسي ريبوز للتي تليها. ومن هذا الهيكل الأساسي تمتد القواعد. ترتبط قواعد أحد الشريطين بقواعد الشريط الثاني بروابط هيدروجينية. يرتبط الأدينين دائمًا بالثايمين، ويرتبط السايتوسين دائمًا بالغوانين. يتسبب هذا الترابط في التفاف الشريطين حول بعضهما البعض في شكل يسمى اللولب المزدوج. الحمض النووي الريبي (RNA) هو حمض نووي ثانٍ يوجد في الخلايا. الحمض النووي الريبي (RNA) هو بوليمر أحادي الشريط من النيوكليوتيدات. كما يختلف عن الحمض النووي (DNA) في أنه يحتوي على سكر الريبوز، بدلاً من الديوكسي ريبوز، والنيوكليوتيد اليوراسيل بدلاً من الثايمين. تعمل جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) المختلفة في عملية تكوين البروتينات من الشيفرة الوراثية الموجودة في الحمض النووي (DNA).

تحتوي بدائيات النوى على صبغي دائري مفرد مزدوج الشريط. تحتوي حقيقيات النوى على جزيئات الحمض النووي (DNA) الخطية مزدوجة الشريط المعبأة في صبغيات. يلتف لولب الحمض النووي (DNA) حول البروتينات لتكوين النيوكليوسومات. تلتف لفائف البروتين بشكل أكبر، وخلال الانقسام المتساوي والانقسام المنصف، تصبح الصبغيات ملتفة بشكل أكبر لتسهيل حركتها. تحتوي الصبغيات على منطقتين متميزتين يمكن تمييزهما بالتلوين، مما يعكس درجات مختلفة من التعبئة ويحدد ما إذا كان الحمض النووي (DNA) في منطقة ما يتم التعبير عنه (الكروماتين الحقيقي) أم لا (الكروماتين المغاير).

يتضاعف الحمض النووي (DNA) بطريقة شبه المحافظة حيث يعمل كل من شريطي الحمض النووي (DNA) الأبويين كقالب لتخليق الحمض النووي (DNA) الجديد. بعد التضاعف، يحتوي كل جزيء حمض نووي (DNA) على شريط أبوي أو "قديم"، وشريط بنوي أو "جديد".

يبدأ التضاعف في حقيقيات النوى من عدة مواقع بدء التضاعف، بينما يبدأ التضاعف في بدائيات النوى من موقع بدء تضاعف واحد. يتم فتح الحمض النووي (DNA) بواسطة الإنزيمات، مما يؤدي إلى تكوين شوكة التضاعف. يقوم إنزيم البرايميز بتخليق بادئ من الحمض النووي الريبي (RNA) لبدء التخليق بواسطة بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase)، الذي يمكنه إضافة النيوكليوتيدات في اتجاه واحد فقط. يتم تخليق أحد الشريطين بشكل مستمر في اتجاه شوكة التضاعف؛ وهذا ما يسمى الخيط القائد. يتم تخليق الشريط الآخر في اتجاه معاكس لشوكة التضاعف، في امتدادات قصيرة من الحمض النووي (DNA) تُعرف باسم قطع أوكازاكي (Okazaki fragments). يُعرف هذا الشريط بالخيط المتأخر. بمجرد اكتمال التضاعف، يتم استبدال بوادئ الحمض النووي الريبي (RNA) بنيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA) ويتم إغلاق الحمض النووي (DNA) بواسطة إنزيم ربط الحمض النووي (DNA ligase).

تشكل نهايات الصبغيات حقيقية النواة مشكلة، حيث لا يستطيع البوليميراز تمديدها بدون بادئ. يقوم التيلوميراز، وهو إنزيم يحتوي على قالب الحمض النووي الريبي (RNA) مدمج، بتمديد النهايات عن طريق نسخ قالب الحمض النووي الريبي (RNA) وتمديد أحد طرفي الصبغي. يمكن لبوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase) بعد ذلك تمديد الحمض النووي (DNA) باستخدام البادئ. بهذه الطريقة، يتم حماية نهايات الصبغيات. تمتلك الخلايا آليات لإصلاح الحمض النووي (DNA) عندما يتلف أو تحدث أخطاء في التضاعف. تشمل هذه الآليات إصلاح عدم التطابق لاستبدال النيوكليوتيدات التي تقترن بقاعدة غير متكاملة، وإصلاح استئصال النيوكليوتيد، الذي يزيل القواعد التالفة مثل ثنائيات الثايمين.

في بدائيات النوى، يبدأ تخليق الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) عند تسلسل المحفز على قالب الحمض النووي (DNA). تقوم الاستطالة بتخليق الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) الجديد. يحرر الإنهاء الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) ويحدث بآليات توقف بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) وتتسبب في سقوطه عن قالب الحمض النووي (DNA). يتم تعديل جزيئات الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) حقيقية النواة المنسوخة حديثًا بقبعة وذيل عديد الأدينين (poly-A tail). تحمي هذه التراكيب الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) الناضج من التحلل وتساعد على تصديره من النواة. تخضع جزيئات الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) حقيقية النواة أيضًا للتضفير، حيث تتم إزالة الإنترونات وإعادة ربط الإكسونات بدقة نيوكليوتيد واحد. يتم تصدير جزيئات الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) المكتملة فقط من النواة إلى السيتوبلازم.

تصف العقيدة المركزية تدفق المعلومات الوراثية في الخلية من الجينات إلى الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) إلى البروتينات. تُستخدم الجينات لصنع الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) بعملية النسخ؛ ويُستخدم الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) لتخليق البروتينات بعملية الترجمة. الشيفرة الوراثية هي التوافق بين كودون الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) ثلاثي النيوكليوتيد وحمض أميني. يتم "ترجمة" الشيفرة الوراثية بواسطة جزيئات الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)، التي تربط كودونًا محددًا بحمض أميني محدد. الشيفرة الوراثية مترادفة لأن 64 كودونًا ثلاثيًا في الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) تحدد 20 حمضًا أمينيًا فقط وثلاثة كودونات توقف. هذا يعني أن أكثر من كودون واحد يتوافق مع حمض أميني. تستخدم جميع الأنواع تقريبًا على الكوكب نفس الشيفرة الوراثية.

تشمل العناصر الفاعلة في الترجمة قالب الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، والريبوسومات، وجزيئات الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)، وعوامل إنزيمية مختلفة. ترتبط الوحدة الريبوسومية الصغيرة بقالب الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA). تبدأ الترجمة عند كودون البدء AUG على الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA). يحدث تكوين الروابط بين الأحماض الأمينية المتتالية المحددة بواسطة قالب الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) وفقًا للشيفرة الوراثية. يقبل الريبوسوم جزيئات الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA) المشحونة، وبينما يتحرك على طول الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، فإنه يحفز الترابط بين الحمض الأميني الجديد ونهاية عديد الببتيد المتنامي. يتم ترجمة الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) بأكمله في "خطوات" ثلاثية النيوكليوتيد للريبوسوم. عندما يتم مواجهة كودون توقف، يرتبط عامل الإطلاق ويفكك المكونات ويحرر البروتين الجديد.

بينما تحتوي جميع الخلايا الجسدية داخل الكائن الحي على نفس الحمض النووي (DNA)، لا تعبر جميع الخلايا داخل هذا الكائن الحي عن نفس البروتينات. تعبر الكائنات بدائية النوى عن الحمض النووي (DNA) بأكمله الذي ترمّزه في كل خلية، ولكن ليس بالضرورة في نفس الوقت. يتم التعبير عن البروتينات فقط عند الحاجة إليها. تعبر الكائنات حقيقية النوى عن مجموعة فرعية من الحمض النووي (DNA) المرمّزة في أي خلية معينة. في كل نوع خلية، يتم تنظيم نوع وكمية البروتين عن طريق التحكم في التعبير الجيني. للتعبير عن بروتين، يتم أولاً نسخ الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبي (RNA)، والذي يتم بعد ذلك ترجمته إلى بروتينات. في الخلايا بدائية النوى، تحدث هذه العمليات بشكل شبه متزامن. في الخلايا حقيقية النوى، يحدث النسخ في النواة ويكون منفصلاً عن الترجمة التي تحدث في السيتوبلازم. يتم تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى فقط على المستوى النسخي، بينما في الخلايا حقيقية النوى، يتم تنظيم التعبير الجيني على المستويات فوق الجينية، والنسخية، وما بعد النسخ، والترجمية، وما بعد الترجمة.