Principen för PCR är att använda DNA som denaturerar och blir enkelsträngat vid en hög temperatur på 95°C in vitro. Vid låga temperaturer (vanligtvis runt 60°C) kombineras primrarna och enkelsträngarna enligt principen om baskomplementär parning, och sedan justeras temperaturen till DNA-polymeras. Vid den optimala reaktionstemperaturen (cirka 72°C) syntetiserar DNA-polymeras komplementära strängar längs fosforsyrans riktning till fem kolsocker (5'-3').
Det mest värdefulla användningsområdet för PCR är diagnos av infektionssjukdomar. I teorin, så länge det finns en patogen i provet, kan PCR detekteras.
I experiment fann man att DNA även kan denatureras och smältas vid höga temperaturer, och det kan omnatureras till dubbelsträngar igen när temperaturen sänks. Därför, genom att kontrollera denatureringen och renatureringen av DNA genom temperaturförändringar, kan tillägg av designprimers, DNA-polymeras och dNTPs fullborda in vitro-replikeringen av specifika gener.
DNA-polymeras kommer dock att inaktiveras vid höga temperaturer. Därför måste nytt DNA-polymeras tillsättas i varje cykel, vilket inte bara är krångligt att driva, utan också dyrt, vilket begränsar tillämpningen och utvecklingen av PCR-teknik.
