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。
大多数非组蛋白比组蛋白大，且富含酸性氨基酸，属于酸性蛋白质。非组蛋白种类繁多，具有种属特异性和组织特异性，并且在整个细胞周期中都有合成，而不像组蛋白仅在S期与DNA同步合成。非组蛋白既有支架蛋白（scaffold protein），又有酶和转录因子等，其主要功能是参与DNA折叠、复制、修复、重组，RNA合成与加工，调控基因表达。非组蛋白的特性如下：
（1）种类多样性 有20～100种，占染色质蛋白的60%～70%，各组织差异极大，更新快，包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、高速泳动族蛋白（HMG蛋白）、染色体支架蛋白、肌动蛋白、转录因子等。
（2）结合特异性 以离子键、氢键结合于特定DNA序列的大沟。这些序列进化上具有保守性。相应的非组蛋白多可二聚化。非组蛋白的结合特异性源于其含各种DNA结合域，如螺旋-转角-螺旋、锌指、亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋。
（3）功能多样性 虽然一个真核细胞中非组蛋白只有10000个分子，仅占细胞总蛋白的1/50000，但有多方面的功能，包括染色质组装、基因表达调控。
RNA占染色体质量的1%～3%，含量最低，变化较大，可能通过与组蛋白、非组蛋白相互作用而调控基因表达。
真核生物DNA在双螺旋的基础上经过多级压缩形成染色体结构。
核小体是染色体的基本结构单位，由组蛋白八聚体和180～200bp核小体DNA构成。
组蛋白八聚体被核心DNA（core DNA，145～147bp）以左手螺线管（solenoid）方式缠绕不到两圈，形成核小体核心颗粒（nucleosome core partparticle），直径约为10nm。
核小体核心颗粒与连接DNA（15～60bp）构成核小体（nucleosome，人单倍体DNA与核心组蛋白形成1.7×10^7个核小体）。
若干核小体形成直径约为10nm的串珠结构（又称10nm纤维）。从DNA双螺旋到串珠结构，压缩比（packing ratio，又称包装比）是7。
串珠结构经过螺旋化形成直径约为30nm、螺距约为12nm的螺线管，称为30nm纤维，其每一螺旋含6个核小体，且每个核小体需结合一分子H1（覆盖约20bp DNA。结合较弱，可在盐溶液中分离）构成染色质小体（chromatosome）。核心组蛋白N端、H1、高离子强度对螺线管的形成和稳定起重要作用。从串珠纤维到30nm纤维，压缩比是6。
30nm纤维进一步结合非组蛋白、少量RNA及与复制转录有关的酶类，形成染色质纤维（chromatin fiber）。
在细胞分裂前期，染色质纤维进一步螺旋化形成直径约为300nm的超螺线管（supersolenoid）结构，称为300nm纤维、染色线（chromonema）。从30nm纤维到300nm纤维，压缩比是40。
300nm纤维凝缩成直径约为700nm的染色单体，压缩比是5。因此，细胞分裂中期染色单体的压缩比高达8000～10000；相比之下，在细胞分裂间期，染色质结构的压缩比仅为100～1000。
需要说明的是，①真核生物染色体结构尚未完全阐明，有多种模型，这里介绍的只是其中一种模型。②由于细胞内不断进行代谢，特别是基因表达及DNA复制，DNA的扭曲盘绕是一个动态过程，所以在不同时期及DNA的不同区段，其盘绕方式和盘绕程度都不相同。
DNA形成染色体结构有着重要的生理意义。
1.染色体是DNA适应细胞空间的压缩状态 DNA分子在长度上高度压缩，有利于组装。例如人体细胞核内有46条染色体，其DNA总长度1.7～2m，被压缩到约200μm（细胞核直径10～15μm），压缩了8000～10000倍。
成年人体约有10^14个细胞，所含DNA总长度为2×10^11km。对比一下地球和太阳之间的距离（1.5×10^8km）或可理解其压缩的意义。
2.DNA包装成染色体后不易受到损伤 相比之下裸DNA（naked DNA）容易受到损伤。
3.细胞分裂时染色体可有效地分配到子细胞中 避免形成非整倍体、异倍体。
4.染色体赋予DNA特定的空间结构 从而使其功能表达受到调控。
5.超螺旋结构影响DNA复制和转录 细胞核内DNA结构处于动态变化之中。超螺旋的改变可以协调DNA局部解链，影响复制和转录等的启动及进程。
