DNA的结构单位是脱氧核苷一磷酸（dNMP），包括一磷酸脱氧腺苷（dAMP）、一磷酸脱氧鸟苷（dGMP）、一磷酸脱氧胞苷（dCMP）和一磷酸胸苷（TMP），分别由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）等碱基与磷酸、脱氧核糖构成。脱氧核苷一磷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接构成线性DNA单链，这就是DNA的一级结构。
四种脱氧核苷一磷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接，构成DNA单链。
在DNA单链中，每个核苷酸的3′-羟基与相邻核苷酸的5′-磷酸基缩合，形成3′，5′-磷酸二酯键（受2′-羟基影响，RNA的3′，5′-磷酸二酯键不如DNA的稳定）。核酸主链又称骨架，由磷酸基与戊糖交替连接构成，碱基相当于侧链。
核酸链有方向性，即有两个不同的末端，分别称为5′端和3′端，5′端有游离磷酸基，是头；3′端有游离羟基，是尾。DNA链有几种书写方式，都是从头到尾，即5′→3′端书写，与核酸的合成方向一致。
不同DNA分子的长度及脱氧核苷一磷酸的排列顺序不同。核苷酸广义上包括脱氧核苷一磷酸，所以DNA的一级结构通常被定义为DNA的核苷酸序列（下图）。不同核苷酸只是碱基不同，所以核苷酸序列也称为碱基序列。
核酸一级结构和书写方式