分子水平的遗传工程就是基因工程。它研究的内容是添加或纳入外源有用基因，置换无用基因，以实现分子重组。具体地说，基因工程就是把一种生物的主要遗传物质DNA分子的片段提取出来，在体外进行切割，彼此搭配，重新“缝合”，再引入到另一种生物的活细胞内，使两者的遗传物质结合起来，以改变基因遗传结构，创造新物种或新品种。目前常用的操作过程是：把一种生物细胞中的DNA提取出来，加入有切割作用的限制性内切酶，简称限制酶(是从原核生物中发现的)，把DNA切成片段；另外又从细菌细胞中提取一种质粒(质粒是细菌细胞中染色体外的遗传物质)，这种质粒DNA能重新引入细菌细胞，具有重要的运载作用。对质粒也加入限制酶，使之切成片断。以上两种切割的DNA片断的切割面，形状要严格一致，二者混合在一起，使互补的片段彼此具有吸引力；再加入有“缝合”作用的连接酶，这种生物的DNA片段(目的基因)就与质粒的DNA片段完全缝合；最后让目的基因在受体细胞中表达。
基因工程中常用的受体细胞是大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌和动植物细胞等。用于基因工程的受体菌都是对人无害的。由于它们繁殖力极强，生长速度极快，短期内就会产生大量的后代，所以把目的基因转入这些细菌，就能在短时间内得到大量的基因拷贝，从而产生大量的产物。
基因工程具有重要的实践意义。在农业上，利用基因工程进行特异基因的转移，培育高产、优质、抗病的优良动植物新品种。最引入注目的课题是通过固氮基因的转移，以解决肥料问题。在工业上，基因工程在抗生素工业中已初步显示出巨大潜力。把产生抗生素的遗传基因移植到发酵时间短、而又易于培养的某些细菌细胞中，必将大大提高抗生素的产量。如有人把链霉菌生产链霉素的遗传基因转移到大肠杆菌中，由于大肠杆菌容易培养，繁殖很快，这样就可以大大简化生产链霉素的工艺过程，并且提高链霉素产量。又如把家蚕产生丝蛋白的遗传物质转移到细菌中，使细菌合成丝蛋白，则将在发酵罐中获得蚕丝，使整个蚕丝生产工业化。在医药上，胰岛素的基因工程早已成功。它是利用逆转录酶和胰岛素的信使 RNA来进行的。胰岛素基因很难从染色体里分离出来，因此，研究者从大家鼠的胰脏组织分离出胰岛素的mRNA，经过逆转录酶作用，得到胰岛素基因：
然后，再用内切酶来处理胰岛素基因和有关质粒，由此得到相同的黏性末端，并把它们连接成为重组 DNA。最后重组DNA“接合”到大肠杆菌中。于是，大肠杆菌的细胞就成了制造胰岛素的“小工厂”了。用上述方法制造出来的胰岛素不同于家畜的，也不同于人的，因此应用时可能出现副作用。1983年，有研究者碰巧得到了人胰岛素mRNA，并运用上述方法得到人胰岛素基因。由此进行基因工程，取得了成功。这样通过大肠杆菌制造出基因工程药——人的胰岛素。
