Nukleotydy w kwasach nukleinowych połączone są ze sobą wiązaniami diestrowymi między pozycjami 3’ i 5’ reszt pentozowych. Podstawowy szkielet łańcucha kwasów nukleinowych składający się z reszt pentozowych i kwasu fosforowego ma charakter polarny, natomiast zasady azotowe oddziałują w sposób hydrofobowy. Cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych wijących się śrubowo i splecionych wzajemnie (struktura II-rzędowa). Ponieważ oba łańcuchy ułożone są prawoskrętnie, sekwencje atomów i grup układają siew każdym ze splecionych łańcuchów w kierunku przeciwnym. Znaczy to, że poszczególne łańcuchy w cząsteczce DNA biegną w przeciwnych kierunkach i są odwrócone w stosunku do siebie o 180°, czyli końcowi 5’z grupą fosforanową jednej nici odpowiada koniec 3’ z grupą hydroksylową drugiej nici. Struktura dwuniciowa DNA lub fragmentów jednej nici RNA (np. tRNA) utrwalona jest za pomocą wiązań wodorowych, tworzących się między zasadami azotowymi. Ze stereochemicznego punktu widzenia, jak i wielkości cząsteczek zasad wynika, że najlepsze wurunki utworzenia takich wiązań występują wówczas, gdy w jednej nici DNA znajduje się tymina, a naprzeciw niej w drugiej nici komplementarnej — adenina; tworzą się wówczas dwra wiązania wodorowe, tak samo odpowiednio ułożone są guanina i cytozyna, które tworzą trzy wiązania wodorowe. Schematy tych wiązań są podane na rysunku 13.
Struktura drugorzędowa cząsteczek kwasów nukleinowych, przekształca się w strukturę trzecio- i czwartorzędową (np. tRNA lub chromatyna u eukariota).
47