Watson ebbe invece un ruolo chiave nella scoperta dell'appaiamento delle basi azotate, il fondamento della stessa struttura e funzione del DNA. In seguito al fondamentale contributo di Jerry Donohue, che gli spiegò la corretta struttura chimica delle quattro basi, Watson provò a "giocare" con i modelli delle quattro basi azotate. Poté rendersi così conto che le coppie A:T e C:G, tenute insieme da ponti idrogeno, sono strutturalmente similari. Watson fu in grado di spiegare le cosiddette regole di Chargaff, secondo cui la quantità di guanina è pari a quella di citosina e quella di adenina è uguale a quella di timina.