沃森出生于美国伊利诺斯州的芝加哥。他从小就聪明好学，记忆力超群，通过阅读《世界年鉴》而获得了大量的知识，在参加当地的一次广播节目比赛中，因为表现出色而获得了“天才儿童”的称号。
沃森靠着自己的聪敏才智，15岁就高中毕业了。随后，他进入芝加哥大学动物学系就读，1947年毕业获学士学位。接着，他进入印第安纳大学研究生院深造，1950年获得博士学位后前往丹麦哥本哈根大学从事噬菌体的研究。1951-1953年，他在英国剑桥大学卡文迪什实验室进修，这是他人生极为重要的一段经历，也是他取得辉煌成就的时刻。1953年，他回到美国在加州理工学院任高级研究人员。1955年，他进入哈佛大学执教，先后任助教、副教授和教授。1968年起，他担任纽约长岛冷泉港实验室主任，主要从事肿瘤方面的研究。
20世纪中叶之前，科学家们一直忙于寻找遗传物质，至20世纪中叶时，已经确定DNA为遗传物质。此后，科学家们又不得不面对这样一个新问题：DNA的分子结构究竟是怎样的？这个结构必须能够携带遗传信息，能够自我复制传递遗传信息，能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动，还能够突变并保留突变，这四点缺一不可。
1951年，年仅23岁的沃森来到了英国剑桥大学卡文迪什实验室，虽然他的课题是研究烟草花叶病毒，但他真正的目的是研究DNA分子结构，这在当时是一个热门的课题，好几家实力雄厚的实验室都在进行这方面的研究，竞争也非常激烈。沃森是一个才华横溢的人，知识渊博而不迂腐，精力非常旺盛，而且初生牛犊不怕虎，下决心在DNA研究方面做出些成绩。几年前在哥本哈根大学的时候，他就做过用同位素标记追踪噬菌体DNA的实验，坚信遗传的奥秘就在DNA中。
此时，同在剑桥大学卡文迪什实验室的英国物理学家弗朗西斯·克里克，当时正在做博士论文，论文的题目是“多肽和蛋白质：X射线研究”。沃森主动与克里克进行了细致的沟通，并说服他和自己一起研究DNA的分子结构。他终于找到了最佳的合作者，因为他需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识来弥补自己的不足。
