染色体的主要化学成份是脱氧核糖核酸（DNA）和5种称为组蛋白的蛋白质.核小体是染色体结构的最基本单位.核小体的核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各两个分子构成的扁球状8聚体.现在我们知道,DNA分子具有典型的双螺旋结构,一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的飘带.一条染色体有一个DAN分子.DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈,其长度相当于140个碱基对.组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体.在相邻的两个核小体之间,有长约50-60个碱基对的DNA连接线.在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白（H1）的分子.密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维,这就是染色体的“一级结构”.在这里,DNA分子大约被压缩了7倍.
染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体,称为螺线体或核丝,这是染色体的“二级结构”,其外径约300埃,内径100埃,相邻螺旋间距为110埃.螺丝体的每一周螺旋包括6个核小体,因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍.
300埃左右的螺线体（二级结构）再进一步螺旋化,形成直径为0.4μ的筒状体,称为超螺旋体.这就是染色体的“三级结构”.到这里,DNA又再被压缩了40倍.超螺旋体进一步折叠盘绕后,形成染色单体——染色体的“四级结构”.两条染色单体组成一条染色体.到这里,DNA的长度又再被压缩了5倍.从染色体的一级结构到四级结构,DNA分子一共被压缩了7×40×5=8400倍.例如,人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米,而染色体被压缩到只有几个微米长.
染色体在细胞分裂之前才形成.在细胞的代谢期或间期,染色体分散成一级结构或伸展开的DNA分子,组成细胞核内的染色质或核质.