原核生物及病毒的共价闭合环状DNA进一步盘曲形成超螺旋结构；真核生物线性DNA与蛋白质及少量RNA结合，经过层层压缩，最终形成染色体结构，这些就是DNA的三级结构。
细菌、线粒体及某些病毒等的DNA具有闭环结构，即其两股链均呈环状，这种DNA称为共价闭合环状DNA（cccDNA，简称闭环DNA）。共价闭合环状DNA的三级结构是在双螺旋结构（松弛结构，relaxed molecule）基础上进一步盘绕形成的超螺旋（superhelix）结构。
超螺旋有正超螺旋和负超螺旋两种，DNA依双螺旋方向进一步缠绕形成正超螺旋（positive supercoil）；DNA依双螺旋相反方向旋转形成负超螺旋（negative supercoil）。两股DNA形成的正超螺旋为右手超螺旋、负超螺旋为左手超螺旋。四股DNA形成的正超螺旋为左手超螺旋、负超螺旋为右手超螺旋。DNA在细胞内通常处于负超螺旋状态，这有利于其复制和转录。
真核生物染色体DNA与组蛋白、非组蛋白及少量RNA在细胞分裂间期形成染色质结构，在细胞分裂期形成染色体结构，两者的主要区别是压缩程度（称为压缩比、包装比）不同。
作为遗传物质，染色体有以下特征：①分子结构相对稳定；②能够自主复制；③能够指导RNA和蛋白质合成，从而控制生命过程；④会发生可遗传的变异。
染色体的主要成分是DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白，其中DNA和组蛋白含量稳定，含量比接近1∶1；RNA和非组蛋白含量则随着生理状态的变化而变化。
组蛋白（histone）是真核生物染色体的基本结构蛋白。C端2/3序列富含疏水性氨基酸，N端1/3序列富含碱性氨基酸精氨酸（Arg）和赖氨酸（Lys）。组蛋白属于碱性蛋白质，等电点在10以上。
组蛋白有H1、H2A、H2B、H3和H4共五类，其中H2A、H2B、H3和H4称为核心组蛋白（core histone），H1称为连接DNA组蛋白（linker histone）。从一级结构上看，核心组蛋白高度保守，特别是H3和H4，没有明显的种属特异性和组织特异性，含量也很稳定，例如豆类（Ile60、Arg77）与牛（Val60、Lys77）的H4仅有两个氨基酸残基不同，人与酵母的组蛋白H4仅有9个氨基酸残基不同。连接DNA组蛋白H1在不同生物体、不同组织细胞中的差异较大，在个体发育过程中也有变化。组蛋白在维持染色体的结构和功能方面起关键作用。
