Das Prinzip der PCR besteht darin, DNA zu verwenden, die bei einer hohen Temperatur von 95 °C in vitro denaturiert und einzelsträngig wird. Bei niedrigen Temperaturen (üblicherweise um 60°C) werden Primer und Einzelstränge nach dem Prinzip der Basenkomplementärpaarung kombiniert und anschließend die Temperatur auf DNA-Polymerase eingestellt. Bei der optimalen Reaktionstemperatur (etwa 72 °C) synthetisiert die DNA-Polymerase komplementäre Stränge entlang der Phosphorsäure zu Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (5'-3').
Das wertvollste Anwendungsgebiet der PCR ist die Diagnose von Infektionskrankheiten. Theoretisch kann eine PCR nachgewiesen werden, solange sich ein Erreger in der Probe befindet.
In Experimenten wurde festgestellt, dass DNA auch bei hohen Temperaturen denaturiert und geschmolzen werden kann und bei niedrigerer Temperatur wieder in Doppelstränge renaturiert werden kann. Daher kann durch die Kontrolle der Denaturierung und Renaturierung von DNA durch Temperaturänderungen die Zugabe von Design-Primern, DNA-Polymerase und dNTPs die In-vitro-Replikation spezifischer Gene vervollständigen.
DNA-Polymerase wird jedoch bei hohen Temperaturen inaktiviert. Daher muss in jedem Zyklus neue DNA-Polymerase hinzugefügt werden, was nicht nur umständlich, sondern auch teuer ist, was die Anwendung und Entwicklung der PCR-Technologie einschränkt.