双螺旋是DNA的二级结构，如果把双螺旋DNA看作一根绳子，再将其进一步扭曲，就称为超螺旋，即螺旋上的螺旋。超螺旋就是DNA的三级结构，具体情况取决于二级结构。
电话线也有超螺旋结构，引自百度图片
B-DNA以每10个碱基一圈盘绕时能量最低，处于伸展状态；当盘绕过多或不足时，就会出现张力，形成超螺旋。盘绕过多时形成正（右手）超螺旋，盘绕不足时为负超螺旋。因为超螺旋是在双螺旋的张力下形成的，所以只有双链闭合环状DNA和两端固定的线性DNA才能形成超螺旋，有切口的DNA不能形成超螺旋。
无论是真核生物的双链线形DNA，还是原核生物的双链环形DNA，在体内都以负超螺旋的形式存在，密度一般为100-200 bp一圈。DNA形成负超螺旋是结构与功能的需要。
在细胞内DNA的高级结构是动态变化的。通过多种蛋白因子和酶的作用，改变DNA的二级结构和三级结构，是生物功能的需要。DNA的复制、转录、*、修复，都伴随着其高级结构的变化。在生物体内，改变高级结构有以下三种方法：
- 在解链酶的作用下，破坏碱基对间的氢键，使DNA局部解链成为单链区，以增加未解链的双链区的盘绕数，从而增加正超螺旋或减少负超螺旋。
- 通过局部形成Z-DNA（左手）双螺旋，也可增加B-DNA部分的盘绕数，减少负超螺旋。
- 通过拓扑异构酶切断DNA的一条或两条链，在双螺旋张力的推动下，使断端绕互补链旋转，释放张力后再连接，可消除超螺旋。如果额外消耗能量，也可引入超螺旋。
环状DNA的拓扑异构，引自百度图片
DNA的拓扑结构公式如下：
L=T W
其中L称为连环数，是一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，必须是整数。缠绕数T是双螺旋周数，W是超螺旋数。T、W可以是小数。超螺旋密度一般在-0.03到-0.09之间。
真核生物的染色体是DNA与蛋白质的复合体，其中DNA的超螺旋结构是多层次的。染色体由染色质细丝经过多次卷曲而成，染色质细丝是由核小体重复单位构成的串珠状结构，而核小体则由DNA和组蛋白构成。
核小体结构，引自百度图片
组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，有H1、H2A、H2B、H3和H4共5种。后四种各2分子组成核小体的蛋白核心，约140 bp双螺旋DNA（核心DNA）在蛋白核心外绕行1.75圈，共同构成核小体的核心颗粒。核心颗粒之间有约60 bp的连接DNA。1分子组蛋白H1结合在连接DNA的进出部位，将核心DNA固定在核心蛋白外围。
核小体呈扁球形，高约6 nm，直径约11 nm。核小体重复单位约200 bp，长度由68 nm压缩至11 nm。所以第一次超螺旋使直径2 nm的DNA双螺旋变成直径11 nm的染色质细丝，长度压缩6-7倍。
染色体DNA的超螺旋层次
染色质细丝经过再一次超螺旋，形成直径30 nm的染色体粗丝，长度又压缩6倍。第三次超螺旋使粗丝盘绕成直径400 nm的单位纤维，长度压缩40倍。最后由单位纤维折叠形成染色单体，长度压缩4-5倍。这样，经过4次超螺旋，DNA的长度压缩了近万倍（8400倍）。
人类二倍体DNA总量3.3×109bp，全长可达1.75米，DNA分子平均长度在4cm以上。只有经过这样的压缩，才能装入细胞核中。
