Wilkins a fost cel mai bine cunoscut pentru munca sa care a dus la descoperirea a modelului dublu helix a ADN-ului, substanta care transferă informații genetice de la o generație la alta. În timp ce lucra la Kings College din Londra, a studiat Wilkins ADN folosind cristalografie cu raze X. El începuse deja această linie de cercetare atunci când fizician Rosalind Franklin a intrat în echipa de cercetare în 1951. În același timp, Watson și Crick, oamenii de stiinta care lucreaza la doua Laboratorul Cavendish la Universitatea din Cambridge, a fost investigarea structurii ADN-ului. Folosind datele de la un raze X luate de Franklin, Watson și Crick au fost în măsură să determine structura moleculei de ADN și de a construi un model de ea.
Constatare a avut un impact extraordinar și imediat asupra comunității științifice. Aceasta a condus la progrese într-o serie de domenii, în special în domeniul ingineriei genetice. În 1962, cele trei oameni de stiinta au fost răsplătiți pentru eforturile lor cu un premiu Nobel. Cu toate acestea, controversă inconjoara descoperirea, ca unii experți cred că Franklin, care a murit în 1958, nu au primit suficient credit pentru contribuția ei. Munca lui Franklin infirmat în mare măsură o teorie mai devreme despre grupuri de fosfat avansate de Linus Pauling Carl. În plus față de studiul său a ADN-ului, Wilkins a folosit tehnici cu raze X pentru a studia acid ribonucleic (ARN), o moleculă care este asociat cu sinteza chimica in celula vie.
În plus față de premiul Nobel, Wilkins, Watson, Crick și a primit Albert Lasker Award al Asociatiei de Sanatate Publica american în 1960. Wilkins a devenit un membru al Societatii Regale din 1959. El a fost un membru de onoare străin al Societatii Americane de Chimiștilor Biologice și al Academiei Americane de Arte și Științe . A murit la 5 octombrie 2004, în Londra, Anglia.