Negli organismi eucarioti, la maggior parte del DNA si trova all'interno del nucleo della cellula sotto forma di una catena di cromosomi. Gli eucarioti hanno anche DNA cromosomico aggiuntivo che si trova all'interno di vari organelli cellulari situati all'esterno del nucleo, principalmente nei mitocondri e nei cloroplasti.
I mitocondri contengono solo una quantità molto limitata di DNA, che è sistemata in piccole molecole circolari. Queste molecole di DNA mitocondriale contengono solo alcuni geni mitocondriali, che sono usati per sintetizzare le proteine. Tutti gli organismi che sono in grado di eseguire la fotosintesi hanno anche una piccola quantità di DNA all'interno dei loro cloroplasti. Questo DNA può venire sotto forma di una molecola circolare o di una catena lineare. Entrambi i tipi sono anche usati in certe funzioni di sintesi, proprio come il DNA mitocondriale.
Il DNA nel cromosoma si presenta sotto forma di due fili uniti in una doppia elica a forma di spirale. Ogni filo è costituito da vari nucleotidi, ciascuno dei quali è costituito anche da diverse parti separate. I nucleotidi consistono ciascuno di un gruppo fosfato, uno zucchero e una delle quattro basi azotate diverse: adenina, guanina, citosina o timina. Quando questi nucleotidi si uniscono per formare un filamento di DNA, l'ordine delle basi di azoto specifiche determina quali geni sono espressi.
