Contrariando o desejo dos pais, aos 15 anos ela decidiu que queria ser uma cientista. Entrou em 1938 no Newnham College, em Cambridge, graduando-se em físico-química (1941). Iniciou como pesquisadora (1942) analisando a estrutura física de materiais carbonizados utilizando raios-X. Trabalhando no British Coal Utilization Research Association, onde desenvolveu estudos fundamentais sobre as microestruturas do carbono e do grafite, base do doutorado em físico-química pela Universidade de Cambridge (1945).
Trabalhando em Paris (1947-1950), no Laboratoire Central des Services Chimiques de L'Etat, usou a técnica da difração dos raios-X para análise de materiais cristalinos. Voltando para a Inglaterra, juntou-se a equipe de biofísicos do King's College Medical Research Council (1951) e com Raymond Gosling no laboratório de biofisica do britânico Maurice Wilkins, e iniciou a aplicação de estudos com difração do raio-X para determinação da estrutura da molécula do DNA. Este trabalho permitiu ao bioquímico norte-americano James Dewey Watson e aos britânicos Maurice Wilkins e Francis Crick confirmar a dupla estrutura helicoidal da molécula do DNA, dando-lhes o Nobel de Fisiologia/Medicina (1962), sendo ela a grande injustiçada, já que o Nobel não pode ser atribuído postumamente.
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