Vào giữa thế kỷ 20, về nguyên tắc, sự tích hợp của vật lý và hóa học đã được mở rộng, với các tính chất hóa học được giải thích như là kết quả của cấu trúc điện tử của nguyên tử; Cuốn sách của Linus Pauling về Tự nhiên của Trái phiếu Hóa học đã sử dụng các nguyên lý cơ học lượng tử để suy ra các góc trái phiếu trong các phân tử phức tạp hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, mặc dù một số nguyên lý được rút ra từ cơ học lượng tử có thể tiên đoán một số tính chất hóa học đối với các phân tử liên quan đến sinh học, nhưng đến cuối thế kỷ 20, lại là tập hợp các quy tắc, quan sát và công thức hơn các phương pháp định lượng ab initio nghiêm ngặt.

Cách tiếp cận dựa trên kinh nghiệm này đã thành công năm 1953 khi James Watson và Francis Cricksuy luận cấu trúc xoắn kép của DNA bằng cách xây dựng các mô hình bị ràng buộc bởi và thông báo bởi kiến ​​thức về tính chất hóa học của các phần cấu thành và các mô hình nhiễu xạ tia X thu được bởi Rosalind Franklin.  Khám phá này dẫn tới sự bùng nổ của nghiên cứu hóa sinh của cuộc sống.

Trong cùng năm đó, thí nghiệm Miller-Urey đã chứng minh rằng các thành phần cơ bản của protein, các axit amin đơn giản, có thể được tạo ra từ những phân tử đơn giản trong mô phỏng các quá trình nguyên thủy trên trái đất. Mặc dù vẫn còn nhiều câu hỏi về bản chất thực sự của nguồn gốc của cuộc sống, đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu thử nghiệm các quy trình giả thuyết trong phòng thí nghiệm dưới điều kiện kiểm soát.

Năm 1983 Kary Mullis đã phát minh ra phương pháp khuếch đại DNA trong ống nghiệm, gọi là phản ứng chuỗi polymerase (PCR), làm cách mạng hóa các quá trình hóa học được sử dụng trong phòng thí nghiệm để điều khiển nó. PCR có thể được sử dụng để tổng hợp các đoạn DNA cụ thể và có thể sắp xếp DNA của các sinh vật, kết quả là trong dự án bộ gen của con người.

Một phần quan trọng trong câu đố bằng xoắn kép đã được giải quyết bởi một trong những sinh viên của Pauling Matthew Meselson và Frank Stahl, kết quả của sự hợp tác của họ (thí nghiệm Meselson-Stahl) đã được gọi là "thí nghiệm đẹp nhất trong sinh học".

Họ sử dụng một kỹ thuật ly tâm để phân loại các phân tử theo sự khác biệt về trọng lượng. Vì các nguyên tử nitơ là thành phần của DNA nên chúng được dán nhãn và do đó được theo dõi trong quá trình sao chép trong vi khuẩn.