James Dewey Watson lahir di Chicago, Illinois, pada tanggal 6 April 1928, sebagai putra tunggal dari James D. Watson, seorang pengusaha, dan Jean Mitchell. Leluhur ayahnya awalnya keturunan Inggris dan pernah tinggal di midwest selama beberapa generasi. Ayah ibunya adalah seorang kelahiran Skotlandia, menikah dengan seorang putri imigran Irlandia yang tiba di Amerika Serikat sekitar tahun 1840. Seluruh masa kanak-kanak muda Watson dihabiskan di Chicago di mana dia selama delapan tahun bersekolah di Horace Mann Grammar dan selama dua tahun di South Shore High School. Dia kemudian menerima beasiswa kuliah ke Universitas Chicago, dan di musim panas 1943 melakukan eksperimen mereka selama empat tahun kuliah.
Pada tahun 1947, ia menerima gelar B.Sc. dalam bidang Zoologi. Minatnya semasa kanak-kanak dalam pengamatan burung mendorongnya untuk serius belajar genetika. Pada tahun 1950 ia menerima penghargaan Fellowship untuk studi pascasarjana Zoologi di Indiana University di Bloomington, di mana ia menerima gelar Ph.D. dalam bidang Zoologi. Saat di Indiana, ia sangat dipengaruhi oleh konsep genetika HJ Muller dan TM Sonneborn, juga SE Luria, seorang mikrobiologi kelahiran Italia yang bekerja sebagai staf di Indiana Bacteriology Departmen. Tesis Watson disusun di bawah bimbingan Luria, meneliti tentang efek X-ray pada pembelahan bakteriofag (virus yang menyerang bakteri, umumnya E. coli).
Dari September 1950 hingga September 1951 ia menghabiskan tahun pertama postdoctoral di Kopenhagen sebagai Fellow Merck Dewan Penelitian Nasional. Tahun itu dihabiskan bersama ahli biokimia Herman Kalckar, juga dengan mikrobiolog Ole Maaløe. Sekali lagi ia bekerja dengan virus bakteri, mencoba untuk mempelajari DNA dari partikel virus tersebut. Selama musim semi tahun 1951, ia pergi bersama Kalckar ke Stasiun Zoologi di Naples. Ada di Simposium akhir bulan Mei. Ia bertemu Maurice Wilkins dan melihat untuk pertama kalinya difraksi sinar-X pola DNA kristal. Hal ini sangat mendorong dia untuk mengubah arah penelitiannya terhadap struktur kimia asam nukleat dan protein. Langkah in menjadi mungkin ketika Luria, pada awal Agustus 1951, yang bekerja sama dengan John Kendrew membantu Watson melakukan penelitian di Laboratorium Cavendish, di mana ia mulai bekerja pada awal Oktober 1951.
Saat bertemu Crick, mereka menemukan persamaan keinginan memecahkan struktur DNA. Upaya serius pertama mereka dilakukan pada akhir musim gugur tahun 1951, dengan hasil yang tidak memuaskan. Upaya kedua mereka pada awal Maret 1953 lebih didasarkan pada bukti eksperimental dan apresiasi yang lebih baik dari literatur asam nukleat, dan dituliskan dalam proposal tentang konfigurasi komplemen double-heliks.
Pada saat yang sama, ia melakukan eksperimen untuk menyelidiki struktur TMV (Tobbacco Mozaic Virus), menggunakan teknik sinar-X terdifraksi. Tujuannya adalah untuk melihat apakah sub-unit kimiawi yang sebelumnya pernah diungkapkan dengan elegan oleh percobaan Schramm, memang berupa spiral yang teratur. Tujuan ini dicapai pada akhir Juni 1952, ketika menggunakan tabung anoda berputar sinar-X yang memungkinkan demonstrasi yang meyakinkan mengenai pembentukan heliks virus.
Dari tahun 1953 sampai 1955 Watson berada di California Institute of Technology sebagai Senior Research Fellow dalam bidang Biologi. Di sana ia bekerja sama dengan Alexander Rich dalam mempelajari difraksi X-ray terhadap RNA. Pada 1955-1956 ia kembali ke Cavendish, bekerja dengan Crick. Selama bekerja sama mereka menerbitkan beberapa makalah tentang prinsip-prinsip umum konstruksi virus.
Sejak musim gugur tahun 1956, ia telah menjadi anggota dari Departemen Biologi Harvard. Pertama sebagai Asisten Profesor, tahun 1958 sebagai Associate Professor, dan sebagai Profesor sejak tahun 1961. Selama waktu ini, ia melakukan penelitian utamanya tentang peran RNA dalam sintesis protein. Di antara rekan-rekannya selama periode ini adalah ahli biokimia Swiss, Alfred Tissieres dan ahli biokimia Perancis, François Gros. Banyak bukti eksperimental yang mendukung konsep tentang RNA duta (ARNd/ARNm) yang telah dikumpulkannya. Kolaborator utamanya adalah seorang ahli fisika teoritis Walter Gilbert, yang membuat Watson bersemangat belajar tentang eksperimen dalam bidang biologi molekuler.
Gelar kehormatan yang diperoleh Watson meliputi:
- John Collins Warren Prize of the Massachusetts General Hospital, yang diperoleh bersama Crick pada tahun 1959
- Eli Lilly Award in Biochemistry pada tahun yang sama
- Lasker Award, diperoleh bersama Crick dan Wilkins pada tahun 1960
- Research Corporation Prize, diperoleh bersama Crick pada tahun 1962
- American Academy of Arts and Sciences dan National Academy of Sciences
- Foreign membership of the Danish Academy of Arts and Sciences
- Watson juga seorang konsultan untuk Komite Penasehat Ilmiah Presiden
Selama hidup Watson tidak menikah. Hobinya sederhana: mengamati burung dan berjalan-jalan.