Makromolekula DNA je podobne ako bielkoviny charakterizovaná primárnou, sekundárnou a terciárnou štruktúrou.
Primárna štruktúra DNA je daná poradím nukleotidov, ktoré sú do polynukleotidového reťazca viazané už spomínanou 3',5'-fosfodiesterovou väzbou. Relatívna molekulová hmotnosť takejto makromolekuly môže byť rádovo až 109, čo predstavuje asi 200 tisíc stavebných jednotiek.
Primárna štruktúra DNA určuje poradie aminokyselín v bielkovinách. Sekvencia nukleotidov, ktoré kódujú jednu bielkovinu nazývame gén. Súbor všetkých génov nachádzajúcich sa v bunke sa nazýva genóm. Porucha v sekvencii nukleotidov, teda porucha primárnej štruktúry DNA spôsobuje genetické poruchy živých organizmov.

Na rozdiel od primárnej štruktúry bielkovín, kde sa mohlo viazať približne 20 aminokyselín, primárna štruktúra NK obsahuje prakticky iba štyri nukleotidy, pričom pomer adenínu s tymínom (A : T) a guanínu s cytozínom (C : G) je rovnaký 1 : 1.
J. Watson a F. Crick na základe röntgenografickej analýzy navrhli roku 1953 priestorový model DNA (Nobelova cena 1962). Sekundárnu štruktúru DNA tvoria dva polynukleotidové reťazce, ktoré sú antiparalelne spletené do pravotočivej dvojzávitnice, tzv. dvojitý α-helix. Sekundárna štruktúra je pomerne stabilná. Stabilitu jej dodávajú vodíkové väzby, ktorými sa viažu dvojice dusíkatých báz na princípe komplementarity - doplnkovosti (obrázok hore), pričom medzi A - T sa tvoria 2 vodíkové väzby a medzi C - G sa tvoria 3 vodíkové väzby.
Terciárna štruktúra DNA vzniká stočením dvojzávitnice v priestore do tzv. superhelixu. Takto zvinutá DNA sa nazýva superšpiralizovaná.

RNA
Ribonukleová kyselina sa skladá z týchto častí:
1.dusíkaté bázy: purínové (adenín, guanín), pyrimidínové (uracyl, cytozín),
2.cukor: D-ribóza,
3.kys. trihydrogénfosforečná.
Primárna štruktúra RNA je v podstate rovnaká ako u DNA. Rozdiel je len v zložení nukleotidov, v ktorých namiesto deoxyribózy sa nachádza ribóza a z dusíkatých báz namiesto tymínu sa nachádza uracyl. Párovanie báz je potom takéto: A-U a G-C.
Sekundárna a terciárna štruktúra RNA je oveľa rôznorodejšia ako v prípade DNA. Pri izolácii RNA z bunky dostaneme vzorku, ktorá obsahuje rôzne typy tejto nukleovej kyseliny. Dokonca aj molekula jedného typu RNA nemusí mať rovnakú priestorovú štruktúru. Veľká väčšina RNA je jednovláknová, ale môže byť vytvorená vnútorná dvojzávitnica. Ribonukleové kyseliny sa od seba odlišujú nielen funkciou, miestom výskytu ale aj molekulovou hmotnosťou a štruktúrou.
Podľa biologickej funkcie a lokalizácie delíme RNA na:

1.mediátorovú - mRNA
2.ribozómovú - rRNA
3.transferovú - tRNA
4.vírusovú - vRNA
Mediátorová RNA (mRNA) (ang. messenger = posol) - alebo informačná (iRNA), predstavuje 5-10% obsahu RNA v bunke. Jej úlohou je prenos genetickej informácie z DNA na biosyntézu bielkovín. Tvorí sa priamo na polyreťazci DNA na základe komplementarity báz, takže A z DNA sa prepíše ako U do RNA, G sa prepíše ako C, T ako A a C ako G. Má jednovláknovú štruktúru a jej dĺžka samozrejme závisí od množstva informácií, ktoré nesie. Trojice nukleotidov v mRNA, nazývané triplety alebo kodóny, pri proteosyntéze kódujú príslušnú aminokyselinu v polypeptidovom reťazci. Relatívna molekulová hmotnosť mRNA je 25000 až 106.

Ribozómová RNA (rRNA) tvorí základnú stavebnú zložku ribozómov a predstavuje až 90% obsahu NK v bunke. Má veľký význam pri proteosyntéze bielkovín. Časti makromolekuly RNA môžu mať tvar dvojitej závitnice. Ribozómové NK sa najčastejšie charakterizujú sedimentačným koeficientom S. Čím je väčšia hodnota S, tým má rRNA väčšiu molekulovú hmotnosť.

Transferová RNA (tRNA) má veľký význam pri proteosyntéze. Zabezpečuje prenos aktivovaných aminokyselín na miesto tvorby polypeptidového reťazca. Špecifickosť tRNA pre prenos danej aminokyseliny určuje trojica nukleotidov - antikodón, v strednej časti molekuly. tRNA nemajú veľkú molekulovú hmotnosť a obsahujú okolo 70 až 80 nukleotidov. V bunke sa nachádzajú rozpustené v cytoplazme.
Vírusová RNA (vRNA) sa nachádza najmä v rastlinných, ale aj živočíšnych vírusoch. Spája tu funkciu DNA aj mRNA. Väčšinou má jednovláknovú štruktúru, niektoré vírusy však majú aj dvojitú závitnicu.