Watson est diplômé de l'université de Chicago et obtient un doctorat en physique et chimie à l'université de Cambridge en Angleterre sous la direction de Ronald Fisher. Il rejoint le laboratoire de genétique moléculaire de J. D. Bernal et de Rosalind Franklin au King's College de Londres, où il rencontre Francis Crick avec qui il collaborera sur la structure de l'ADN.
En 1953, Watson et Crick proposent leur modèle du double hélice à partir des données expérimentales d'Oliver Smithies, Maurice Wilkins et Rosalind Franklin, qui avait elle-même déterminé le premier aperçu de la structure de l'ADN. Les travaux de Watson et Crick ont été publiés dans la revue Nature en 1953 et sont considérés comme l'un des plus grands avancées scientifiques du XXe siècle.
Watson a ensuite travaillé à l'Institut de biologie moléculaire marine (MBI) de l'université Johns Hopkins, où il est devenu directeur en 1976 et professeur émérite après sa retraite en 2007. Il a également été président du Cold Spring Harbor Laboratory de 1985 à 1994.
En 1962, Watson publie le livre "Molecular Biology of the Gene", qui est devenu un ouvrage de référence dans ce domaine. Il a également reçu de nombreuses distinctions pour ses contributions à la biologie moléculaire, notamment le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1962 avec Francis Crick et Maurice Wilkins, et le Prix Lasker pour les sciences médicales fondamentales en 1968.
Watson est également connu pour ses déclarations controversées sur la race humaine, notamment lors de l'émission PBS "The Meaning of Race" en 2002. Ces déclarations ont été critiquées pour leur simplification des questions complexes autour de la race humaine et de son importance biologique.
Aujourd'hui, James Watson est encore actif dans le domaine de la biologie moléculaire et est un pionnier dans ce qui est devenu une des disciplines scientifiques les plus importantes du XXe siècle.