Chuỗi xoắn kép DNA thường không tương tác với những đoạn khác của DNA, và trong tế bào người các nhiễm sắc thể khác nhau thậm chí còn nằm ở những vùng tách biệt trong nhân tế bào gọi là "vùng nhiễm sắc thể" (chromosome territory).[137] Sự tách biệt về không gian giữa các nhiễm sắc thể khác nhau là quan trọng đối với khả năng hoạt động của DNA như là nơi lưu giữ ổn định thông tin di truyền, khi một vài lần nhiễm sắc thể tương tác trong sự trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra trong quá trình sinh sản hữu tính, khi ấy tái tổ hợp di truyền mới diễn ra. Trao đổi chéo nhiễm sắc thể là khi hai chuỗi DNA tháo xoắn và tách rời từng mạch đơn ra, trao đổi các đoạn DNA cho nhau rồi tái gắn kết hai mạch đơn lại.

Tái tổ hợp cho phép nhiễm sắc thể trao đổi thông tin di truyền và tạo ra những tổ hợp gene mới, làm tăng hiệu quả của tính chọn lọc tự nhiên và có thể quan trọng đối với sự tiến hóa nhanh chóng cho những protein mới.[138] Tái tổ hợp di truyền cũng bao gồm trong quá trình sửa chữa DNA, đặc biệt trong sự đáp ứng của tế bào đối với sự kiện chuỗi xoắn kép bị đứt gãy.[139]

Dạng phổ biến nhất của trao đổi chéo nhiễm sắc thể là tái tổ hợp tương đồng, khi hai nhiễm sắc thể tham gia quá trình trên có trình tự DNA tương đồng. Tái tổ hợp không tương đồng có thể phá hủy tế bào, gây ra chuyển đoạn nhiễm sắc thể và biến dị di truyền. Phản ứng tái tổ hợp được xúc tác bởi các enzyme recombinase, như RAD51.[140] Bước đầu tiên trong quá trình tái tổ hợp là một chuỗi DNA bị đứt gãy do tác động bởi enzyme endonuclease hay những phá hủy đối với DNA.[141] Một loạt các bước tiếp theo có sự xúc tác một phần của recombinase, sau đó hai chuỗi xoắn kép nối lại tại ít nhất một điểm giao Holliday (Holliday junction), trong đó một đoạn của mạch đơn của chuỗi xoắn kép này được ghép nối với đoạn mạch đối ứng của chuỗi xoắn kép kia. Điểm giao Holliday là một cấu trúc tiếp xúc bốn nhánh mà có thể di chuyển dọc theo cặp nhiễm sắc thể, tráo đổi một mạch sang cho mạch khác. Phản ứng tái tổ hợp dừng lại khi điểm giao Holliday bị đứt và xảy ra quá trình hàn gắn lại chuỗi DNA được giải phóng.[142]