1928年4月出生于美国芝加哥。15岁考入芝加哥大学，1947年获得芝加哥大学动物学学士学位。1950年获得印第安纳大学遗传学博士学位。1953年4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在一篇题为《核酸的分子结构》的论文中向世人宣告：引导生物发育和生命机能运作的脱氧核糖核酸（DNA）具有双螺旋结构。而这篇论文仅用了1100个单词和1张图片。1962年，沃森和克里克与英国分子生物学家莫里斯·威尔金斯分享了诺贝尔生理学或医学奖。20世纪60年代，詹姆斯·沃森入主冷泉港实验室，在他的努力下，冷泉港实验室从一个濒临破产的小机构成了世界上最有影响力的综合性科研教育中心。1988年，詹姆斯·沃森加入美国国家卫生研究院，并于1990年被任命为“人类基因组计划”主任。詹姆斯·沃森是“人类基因组计划”的主要发起者和推动者。