เจมส์ ดี. วัตสัน เกิดที่เมืองชิคาโก รัฐอิลลินอยส์ เมื่อเป็นเด็ก วัตสันสนใจเรื่องการดูนกเนื่องจากบิดาซึ่งเป็นนักธุรกิจเป็นนักดูนกสมัครเล่น เมื่ออายุ 12 ขวบวัตสันได้เข้าร่วมรายการ “ควิสคิดส์” ซึ่งเป็นรายการวิทยุที่เป็นที่นิยมกันมากในขณะนั้นซึ่งเป็นรายการสำหรับเด็ก “แก่แดด” หรือเด็กที่เก่งเกินวัยมาตอบคำถามยากๆ เมื่ออายุ 15 วัตสันได้เข้าเรียนในมหาวิทยาลัยชิคาโก โดยนโยบายเสรีของโดเบิร์ต ฮัทชินส์ อธิการบดีและนักการศึกษาผู้มีชื่อเสียงในขณะนั้น ในระหว่างเรียนวัตสันพยายามหลีกเลียงวิชาเคมีเท่าที่จะหลีกได้เพราะไม่ใคร่ชอบ แต่หลังจากการอ่านหนังสือเรื่อง “ชีวิตคืออะไร?” ของเอ็ดวิน โชรดินเจอร์ ในปี พ.ศ. 2489 วัตสันได้เปลี่ยนแนวทางการเรียนจากสาขา “ปักษีวิทยา” มาเป็น พันธุกรรมศาสตร์และได้รับปริญญาตรีด้านสัตววิทยา เมื่อ พ.ศ. 2490ปี

เจมส์ ดี. วัตสัน เกิดความสนใจในงานของซาลวาดอร์ ลูเรีย ซึ่งลูเรียได้ร่วมรับรางวัลโนเบลสำหรับ “งานทดลองลูเรีย-เดลบรูกค์” ที่เกี่ยวกับธรรมชาติของการกลายพันธุ์ ลูเรียเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มนักวิจัยที่กระจายกันออกไปใช้ประโยชน์จากการใช้ไวรัสไปติดเชื้อในตัวแบคทีเรียเพื่อจะได้ตรวจหาพันธุกรรมได้ ลูเรียและแมกซ์ เดลบรุกค์นับเป็นผู้บุกเบิกและเป็นผู้นำใน “กลุ่มไวรัสทำลายแบคทีเรีย” ที่นับเป็นกระบวนการสำคัญของนักพันธุกรรมศาสตร์ที่มาทางระบบการทดลอง เช่นการใช้โดรโซฟิลา (แมลงวันผลไม้ชนิดหนึ่ง) มาสู่พันธุกรรมจุลินทรีย์

ในต้นปี พ.ศ. 2491 วัตสันเริ่มงานวิจัยปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการทดลองของลูเรียที่มหาวิทยาลัยอินเดียนา และในฤดูร้อนนั้น วัตสันได้พบกับเดลบรุค ในอพาร์ตเมนต์ของลูเรีย และอีกครั้งในฤดูร้อนนั้น ในระหว่างการเดินทางไปเยือนหอทดลอง “โคลด์สปริง” “กลุ่มไวรัสทำลายแบคทีเรีย” เป็นตัวกลางเชื่อมกับพวกปัญญาชน ซึ่งวัตสันเองได้กลายเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่กำลังอยู่ในกระบวนการทำงาน ที่สำคัญคือสมาชิกของ “กลุ่มไวรัสทำลายแบคทีเรีย” มีความสำนึกว่าพวกตนกำลังต่างก็อยู่ในเส้นทางที่กำลังนำไปสู่การค้นพบธรรมชาติด้านกายภาพของยีนส์ ในปี พ.ศ. 2492 วัตสันลงวิชาเรียนกับเฟลิกซ์ เฮาโรวิวิทซ์ซึ่งรวมแนวคิดยุคนั้นที่ว่า: คือโปรตีนและยีนส์สามารถสำเนาสร้างตัวเองเพิ่มได้ องค์ประกอบสำคัญอีกอย่างหนึ่งของโครโมโซม คือ ดีเอ็นเอนั้นเข้าใจกันโดยหลายคนว่าเป็น “นิวคลีโอไทด์สี่หน้าที่โง่เง่า” ที่ทำหน้าที่เพียงการเป็นโครงสร้างรองรับโปรตีน อย่างไรก็ดี ในระยะเริ่มแรกนี้ วัตสัน ภายใต้อิทธิพลของกลุ่ม “กลุ่มไวรัสทำลายแบคทีเรีย” ได้ตระหนักถึงงานของออสวอลด์ เอเวรี ซึ่งแนะว่า ดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลพันธุกรรมโครงการวิจัยของวัตสันเกี่ยวข้องกับการใช้รังสีเอกซ์มาทำให้ไวรัสที่ทำลายแบคทีเรีย (phage) อ่อนตัวลง วัตสันได้จบการศึกษาระดับปริญญาเอกสาขาสัตววิทยาที่มหาวิทยาลัยอินเดียนาเมือ พ.ศ. 2493 และได้เดินทางไปยุโรปเพื่อทำงานวิจัยระดับหลังปริญญาเอก ตอนแรกรับหน้าที่เป็นหัวหน้าห้องทดลองทางชีวเคมีของเฮอร์มาน คัลคาร์ในในโคเปนเฮเกนผู้ซึ่งสนใจในกรดนิวคลีอิกและได้พัฒนาความสนใจในตัวไวรัสที่ทำลายแบคทีเรียเพื่อใช้เป็นระบบการทดลอง

เวลาของวัตสันที่อยู่ในโคเปนเฮเกนช่วยให้เกิดผลดีที่ตามมา วัตสันได้มีโอกาสทำการทดลองกับโอล มาอโล (สมาชิกคนหนึ่งในกลุ่ม “ไวรัสทำลายแบคทีเรีย”) ที่มียังคงความเชื่อมั่นว่าดีเอ็นเอคือโมเลกุลพันธุกรรมซึ่งวัตสันได้เรียนรู้การทดลองประเภทนี้มาก่อนแล้วในฤดูร้อนก่อนที่หอทดลองโคลด์สปริง การทดลองเกี่ยวกับการใช้ฟอสเฟตกัมมันต์เป็นตัวค้นหาแล้วพยายามชี้ว่าองค์ประกอบโมเลกุลของไวรัสทำลายแบคทีเรียอันใดที่ไป “ติด” เชื้อแบคทีเรียเป้าหมายที่กำลังถูกไวรัสทำลาย วัตสันไม่เคยร่วมพัฒนาใดๆ ในงานนี้กับคัลคาร์แต่ได้ไปร่วมประชุมกับคัลคาร์ที่อิตาลี และได้เห็นงานของมอริส วิลคินส์ที่กล่าวถึงข้อมูลดีเอ็นเอที่ได้จากการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ถึงตอนนี้ วัตสันค่อนข้างมั่นใจว่า ดีเอ็นเอมีโครงสร้างโมเลกุลชัดเจนที่สามารถแก้ปัญหาได้