PCR是體外酶促合成特異DNA片段的新方法，主要由高溫變性、 低溫退火和適溫延伸三個步驟反復的熱循環構成：即在高溫（95℃）下，待擴增的靶DNA雙鏈受熱變性成為兩條單鏈DNA模板；而后在低溫（37～55℃）情況下，兩條人工合成的寡核苷酸引物與互補的單鏈DNA模板結合，形成部分雙鏈；在Taq酶的最適溫度（72℃）下，以引物3’端為合成的起點，以單核苷酸為原料，沿模板以5’→3’方向延伸，合成DNA新鏈。這樣，每一雙鏈的DNA模板，經過一次解鏈、退火、延伸三個步驟的熱循環后就成了兩條雙鏈DNA分子。如此反復進行，每一次循環所產生的DNA均能成為下一次循環的模板，每一次循環都使兩條人工合成的引物間的DNA特異區拷貝數擴增一倍，PCR產物得以2n的批數形式迅速擴增，經過25～30個循環后，理論上可使基因擴增109倍以上，實際上一般可達106～107倍。
ＤＮＡ是由四種堿基按互補配對原則（即腺嘌呤Ａ對胸腺嘧啶Ｔ，鳥嘌呤Ｇ對胞嘧啶Ｃ）組成的螺旋雙鏈。在細胞內，ＤＮＡ復制時，解螺旋酶首先解開雙鏈讓它變成單鏈做為模板，然后，另一種酶－－ＲＮＡ聚合酶合成一小段引物（ｐｒｉｍｅｒ）結合到ＤＮＡ模板上，最后，ＤＮＡ合成酶以這段引物為起點，合成與ＤＮＡ模板配對的新鏈。ＰＣＲ即是在體外模擬ＤＮＡ復制的過程，它用加熱的辦法讓所研究的ＤＮＡ片段變性變成兩條單鏈，人工合成兩個引物讓它們結合到ＤＮＡ模板的兩端，ＤＮＡ聚合酶即可以大量復制該模板。
假設擴增效率為“X”，循環數為“n”，則二者與擴增倍數“y”的關系式可表示為：y=(1 X)n。擴增30個循環即n=30時，若X=100%，則y=230=1073741824(>109)；而若X=80%時，則y=1.830=45517159.6(>107)。由此可見，其擴增的倍數是巨大的，將擴增產物進行電泳，經溴化乙錠染色，在紫外灶照射下（254nm）一般都可見到DNA的特異擴增區帶。