磷酸二酯键是两个核苷酸分子核苷酸残基的两个羟基分别与同一磷酸基团形成的共价连接键。例如前一个
核苷酸的
羰基中的3'碳上—
OH（羟基）和后一个核苷酸的5'—磷酸基形成酯键，此处的磷酸基同时与前后两个羟基形成酯键，故称磷酸二酯键。依次连下去，形成多核苷酸链，即核酸
大分子链。
DNA中的磷酸二酯键极其稳定。在25℃，pH7.0的中性水溶液的条件下，其
半衰期长达千亿年，比地球自身的年龄还大。欲使DNA中的磷酸二酯键在数分钟之内发生水解，要求催化剂能够高达1017
数量级的速率
增强因子。磷酸二酯键的高度稳定性被认为是核酸作为
遗传物质的重要原因之一。