A PCR elve az, hogy olyan DNS-t használnak, amely denaturálódik és egyszálúvá válik magas, 95°C-os hőmérsékleten in vitro. Alacsony hőmérsékleten (általában 60°C körül) a primereket és az egyszálakat a báziskomplementer párosítás elve szerint kombinálják, majd a hőmérsékletet DNS polimerázra állítják. Az optimális reakcióhőmérsékleten (körülbelül 72 °C) a DNS-polimeráz komplementer szálakat szintetizál a foszforsav irányában öt széncukorral (5'-3').
A PCR legértékesebb alkalmazási területe a fertőző betegségek diagnosztizálása. Elméletileg mindaddig, amíg kórokozó van a mintában, a PCR kimutatható.
Kísérletek során kiderült, hogy a DNS magas hőmérsékleten is denaturálható és megolvasztható, és a hőmérséklet csökkentésével ismét kettős szálakká renaturálható. Ezért a DNS denaturációjának és renaturációjának hőmérséklet-változással történő szabályozásával, tervezési primerek hozzáadásával a DNS-polimeráz és a dNTP-k befejezhetik specifikus gének in vitro replikációját.
A DNS-polimeráz azonban magas hőmérsékleten inaktiválódik. Ezért minden ciklusban új DNS-polimerázt kell hozzáadni, ami nemcsak körülményes működtetni, hanem költséges is, ami korlátozza a PCR technológia alkalmazását és fejlesztését.