Первичная структура цепей ДНК — это порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (dNMP) в полинуклеотидной цепи. Мононуклеотиды связываются между собой 3',5'-фосфодиэфирными связями. Концы полинуклеотидной цепи различаются по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, на З'-конце цепи — свободная ОН-группа.

Нуклеотиды соединяются между собой в ходе реакции конденсации. При этом между 3'-атомом углерода остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложная эфирная связь. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи. Один конец полинуклеотидной цепи (его называют 5'-концом) заканчивается молекулой фосфорной кислоты, присоединенной к 5'-атому углерода, другой (его называют 3'-концом) – ионом водорода, присоединенным 3'-атому углерода. Цепь последовательно расположенных нуклеотидов составляет первичную структуру ДНК. Таким образом, скелет полинуклеотидной цепочки углеводно-фосфатный, т. к. нуклеотиды соединяются друг с другом путем образования ковалентных связей (фосфодиэфирных мостиков) , в которых фосфатная группа образует мостик между С3-атомом одной молекулы сахара и С5-атомом следующей. Прочные ковалентные связи между нуклеотидами уменьшают риск «поломок» нуклеиновых кислот.