Джеймс Девей Уотсон родился 6 апреля 1928 года в Чикаго. В Чикаго он получил начальное и среднее образование. Проучившись два года в средней школе, Уотсон получил в 1943 году стипендию для обучения в экспериментальном четырехгодичном колледже при Чикагском университете. Став бакалавром естественных наук в университете Чикаго в 1947 году, он продолжил образование в Индианском университете Блумингтона.Уотсон написал диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов и получил в 1950 году степень доктора философии. В Дании он проводил изучение биохимических свойств ДНК бактериофага. Уотсон пришел к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. В октябре 1951 года ученый отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета.
В 1953 году Крик и Уотсон завершили создание модели ДНК. Это позволило им вместе с Уилкинсом через девять лет разделить Нобелевскую премию 1962 года по физиологии и медицине.
После опубликования описания модели в английском журнале "Нейче" в апреле 1953 года тандем Крика и Уотсона распался.
Уотсон был назначен старшим научным сотрудником кафедры биологии Калифорнийского технологического института в Пасадене (штат Калифорния). В 1955 году, когда он работал ассистентом профессора биологии в Гарвардском университете Кембриджа. В 1958 году Уотсон был назначен адъюнкт-профессором, а в 1961 году - полным профессором.
С 1968 году Уотсон - директор лаборатории молекулярной биологии в Колд-Спринг-Харборе. Значительное место в его работе заняли нейробиология и изучение роли вирусов и ДНК в развитии рака.