Em 1947 começa suas pesquisas em biologia no laboratório da Universidade de Cambridge. Em 1951 já sabe que o DNA tem papel fundamental na determinação hereditária de cada célula.
Passa a investigar a estrutura tridimensional do DNA com os biólogos americanos James Watson e Maurice Wilkins. Usa difração de raios X para construir um modelo de duas cadeias helicoidais, ligadas horizontalmente por bases orgânicas.
Em 1961 demonstra que cada grupo de três bases de um único DNA designa a posição de um aminoácido específico em moléculas de proteína. Em 1962 divide com Watson e Wilkins o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina. A partir de 1977, é professor no Salk Institute for Biological Studies, em San Diego, Califórnia. Publica Molecules and Men (As Moléculas e os Homens, 1966) e Life Itself (A Própria Vida, 1981).