Образование полинуклеотидной цепи – синтез ДНК – катализируется ферментом ДНК-полимеразой. При этом для начала работы ферменту нужна затравка (праймер) – небольшой кусок цепи ДНК, комплементарный участку более длинной цепи, подлежащей копированию (т.е. матрицы). В качестве затравки обычно используют синтетические фрагменты ДНК длиной в 15–20 нуклеотидов. После того, как затравка связалась (в силу своей комплементарности) с матрицей, ДНК-полимераза последовательно присоединяет к ней нуклеотиды, комплементарные соответствующим нуклеотидам в матричной цепи.

Начиная, например, с двух затравок, связанных с двумя матрицами (двумя разделенными цепями выделенной из клеток ДНК), ДНК-полимераза последовательно добавляет нуклеотиды к одному концу каждого из затравочных фрагментов, удлиняя его и образуя в конце концов копию, комплементарную матрице. В следующем цикле имеются уже четыре матричные цепи и в результате присоединения четырех новых затравок (их с самого начала добавляют в избытке) образуется восемь цепей-матриц для следующего цикла. Один цикл ПЦР осуществляется за 1–2 мин, так что в течение нескольких часов можно получить 100 млрд. копий.

Описанный метод позволяет получать достаточное количество материала для разнообразных экспериментальных исследований. ПЦР используют в опытах по клонированию или направленной модификации нуклеотидных последовательностей, а также во всех тех случаях, когда для проведения анализа нужно увеличить количество исследуемого генетического материала; примеры тому – пренатальная диагностика рецессивных наследственных заболеваний, исследование ископаемых остатков живых существ, проведение «молекулярной дактилоскопии» в судебной практике, идентификация патогенных микроорганизмов в биологических жидкостях человека.