Een nucleotidesequentie is de lineaire volgorde van nucleotiden in een DNA- of RNA-molecuul, aangegeven met een serie letters (A, C, G, T of U) die elk voor een base in het nucleïnezuur staan. Conventioneel wordt de nucleotidesequentie van het 5'-eind naar het 3'-eind gepresenteerd, omdat dit de richting is waarin het nucleïnezuur wordt gesynthetiseerd. In het geval van dubbelstrengs DNA wordt altijd de sense-streng (coderende streng) getoond.
Omdat nucleïnezuren onvertakte polymeren zijn, geeft de nucleotidesequentie een indruk van de atomaire structuur van het hele molecuul. Om deze reden wordt de nucleïnezuursequentie ook wel de primaire structuur genoemd, naar analogie van die bij eiwitten. Nucleïnezuren hebben tevens karakteristieke secundaire en tertiaire structuren.
De sequentie van een nucleïnezuur is een representatie van informatie. De volgorde van nucleotiden in het DNA vormt een code die gebruikt wordt om eiwitten te maken. Eiwitten vormen op hun beurt de grondslag van de morfologie en fysiologie van het organisme. Tijdens de celdeling en de voortplanting wordt een kopie van de genetische informatie doorgegeven.