Chez les organismes eucaryotes, comme les plantes, les animaux et les champignons, le génome ne se limite pas à l'ADN contenu dans le noyau de la cellule. Une partie du génome se trouve également dans les organites cellulaires, principalement les mitochondries, qui possèdent leur propre petit génome circulaire indispensable à la production d'énergie. Chez les plantes, les chloroplastes, sièges de la photosynthèse, contiennent aussi leur propre génome. Ainsi, parler de génome, c'est évoquer un ensemble multipartite, bien que la fraction nucléaire soit de loin la plus vaste et la plus complexe.

La structure physique du génome est tout aussi fondamentale. Dans le noyau, l'ADN, une très longue molécule, est étroitement enroulé et compacté autour de protéines appelées histones pour former les chromosomes. Le nombre de chromosomes est caractéristique de chaque espèce : l'être humain en possède 23 paires, soit 46 au total, tandis que la mouche du vinaigre en a 4 paires et certaines plantes en ont des dizaines. Le génome ne se résume donc pas à une simple liste de gènes. Une part très importante de l'ADN, autrefois qualifiée à tort d'"ADN poubelle", ne code pas directement pour des protéines mais joue des rôles régulateurs cruciaux. Ces séquences contrôlent quand, où et en quelle quantité les gènes doivent être exprimés, orchestrant ainsi la symphonie moléculaire de la vie.

La taille d'un génome, mesurée en nombre de paires de bases, varie de façon spectaculaire d'une espèce à l'autre, sans corrélation directe avec la complexité perçue de l'organisme. C'est ce qu'on appelle le paradoxe de la valeur C. Par exemple, certains amphibiens ou plantes ont un génome bien plus grand que celui de l'humain, qui compte environ 3,2 milliards de paires de bases. Cette différence s'explique en grande partie par la quantité variable d'ADN non codant et d'éléments répétés.

Le séquençage du génome, c'est-à-dire la lecture de la succession complète des bases (A, T, C, G) qui le composent, a ouvert des perspectives révolutionnaires. Le Projet Génome Humain, achevé en 2003, a été une étape historique, fournissant une première ébauche de notre patrimoine génétique commun. Depuis, les techniques de séquençage à haut débit se sont démocratisées, rendant possible l'étude des génomes individuels. Cette approche permet de comparer le génome d'une personne à un génome de référence pour identifier des variations, comme les SNP (polymorphismes nucléotidiques simples), qui sont à la base des différences interindividuelles, notamment notre susceptibilité à certaines maladies ou notre réponse aux médicaments.

L'étude du génome, la génomique, a des applications dans d'innombrables domaines. En médecine, elle est le fondement de la médecine personnalisée, qui vise à adapter les traitements à la constitution génétique unique de chaque patient. En agronomie, elle permet de sélectionner des variétés de plantes plus résistantes ou plus nutritives. En écologie, l'étude des génomes d'espèces entières (métagénomique) permet de caractériser la biodiversité d'un écosystème sans avoir à isoler chaque organisme. Enfin, en biologie de l'évolution, la comparaison des génomes entre espèces différentes permet de retracer leur histoire évolutive et d'identifier les changements génétiques clés qui ont façonné la diversité du vivant.