Caracterizó las diferentes formas de ácidos nucleicos, ADN de ARN, y encontró que el ADN contenía adenina, guanina, timina, citosina, desoxirribosa, y un grupo fosfato.

[1]​[2]​[3]​ Levene comprobó en 1900 que la nucleína se encontraba en todos los tipos de células animales analizadas.

[4]​ Esta diferencia le hizo proponer que la nucleína de los animales era el nucleato de desoxirribosa —hoy en día llamado «ácido desoxirribonucleico» o ADN—, mientras que los vegetales contenían nucleato de ribosa —ácido ribonucleico o ARN—.

[3]​ El modelo del tetranucleótido de Levene implicaba que los ácidos nucleicos estaban formados por planos apilados, que constaban de cuatro pentosas que exponían hacia el exterior las bases nitrogenadas (que van unidas por un enlace glucosídico a la pentosa); las pentosas se unen entre sí por fosfatos a través de enlaces fosfoéster.

En cambio, se deducía que los ácidos nucleicos eran moléculas muy monótonas, casi invariables, extremadamente rígidas.