可将DNA片段的单个拷贝或几个拷贝放大几个数量级，从而产生数千至数百万个特定DNA序列的拷贝。可与其他多种分子生物学方法相结合，广泛应用于生命科学各个领域，被誉为20世纪分子生物学研究领域重大的发明之一。

基于DNA的半保留复制机制。DNA在生物体内复制时，双链DNA在多种酶的作用下解链成单链，在一小段DNA引物的引导下，DNA聚合酶利用脱氧核苷三磷酸（dNTP）根据碱基配对原则，合成单链的互补链，以产生同样的两分子DNA拷贝。在体外实验中，DNA在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性，并设计引物，加入DNA聚合酶、dNTP就可以实现特定基因的体外复制，这种变性合成的过程经过多次循环后，DNA拷贝数指数增加（见图）。绝大多数PCR方法依赖于热循环，反应物体系不断重复多次加热和冷却的循环。但是，最初的DNA聚合酶并不耐高温，每次循环都需要加入新的DNA聚合酶，操作烦琐，价格昂贵。耐热DNA聚合酶的发现解决了这个关键问题。该酶可以耐受90℃以上的高温而不失活，不需要在每个循环加酶，使PCR技术变得非常简捷，同时也大大降低了成本，PCR技术得以大量应用并逐步应用于临床。耐热DNA聚合酶来自水生栖热菌（Thermus aquaticus），因此被称为Taq  DNA聚合酶，它的缺点是缺少3′端至5′端校正的外切酶活性，因此在复制DNA时会出错，造成DNA序列突变。其后，从嗜热古菌中获得的Pwo聚合酶及Pfu聚合酶，均有校正机制，能够大大降低PCR中的突变。将Taq酶与Pfu酶结合使用可以保证准确地扩增DNA。

聚合酶链反应原理

以信使RNA（mRNA）在反转录酶作用下合成的互补DNA（cDNA）第一链为模板的PCR。该反应分为两步：第一步，在单引物的介导和反转录酶的催化下合成RNA的互补链cDNA；第二步，加热后，cDNA与RNA链解离，然后与另一引物退火，并由DNA聚合酶催化引物延伸生成双链DNA。由此产生出来的DNA不带有内含子，常应用此技术来扩增真核生物的基因。

在PCR中先将模板同引物在高于两者变性温度的条件下处理一段时间，然后再加入酶和其他成分进行扩增反应，用以消除非特异性扩增产物。

在DNA扩增反应中，以荧光化学物质或染料实时测定每次PCR循环后产物总量的方法。通过内参法或者外参法对待测样品中的特定DNA序列进行定量分析。

扩增非常特异。采用两对扩增引物，第一对引物扩增片段和普通PCR相似，第二对引物称为巢式引物，结合在第一次PCR产物内部，使得第二次PCR扩增片段短于第一次扩增。

在同一PCR反应体系里加入两对以上引物，同时扩增出多个核酸片段的PCR。又称多重引物PCR或复合PCR。

通过对具有短重叠片段的长寡核苷酸库进行PCR来人工合成长DNA序列。

开始先设定一个比较高的退火温度，每个循环退火温度下降1℃，到一个较低温度以后每个循环的退火温度保持不变直到结束。在刚下降到特异性结合可以进行的最高温度时，可以达到最高的特异性。这样在起初的几个循环中，特异性扩增序列可以相对非特异性序列多扩增若干倍，从而减轻非特异性扩增对结果的干扰。该方法可省去多次试验最佳退火温度的工作。

优先扩增双链DNA模板中的一条DNA链，通常用于扩增目标链的引物过量，此法常用于测序反应或制备单链杂交探针交，只需要扩增两条互补链中的一条。反应中限制一个引物的加入量，随着这一引物的用尽，后续的扩增中另一引物延伸的产物大大过量。这一技术的关键是使用的限制引物的量要合适。引物量过多，则产物主要是双链DNA；引物量过少，在前几轮循环就被耗尽，结果导致单链的产量减少。在不对称PCR的基础上发展出线性指数PCR（linear-after-the-exponential-PCR; LATE-PCR），使数量限制的引物比过量的引物的解链温度更高，从而维持较高的反应效率。

设计引物时选择在基因组的多态性区域，使等位基因的突变定位在（或接近）引物的3′端，在严格的反应条件下，存在错配碱基的引物不能起始复制，只有完全匹配的引物才能起始复制，因此通过对产物分析来确定不同的基因型。

首先使用小的寡核苷酸接头连接靶DNA片段，然后选择与接头结合的引物来扩增未知的靶片段。这一技术主要用在DNA测序、染色体步移（genome walking）和DNA指纹图谱等中。

常用于扩增已知一端序列的目的DNA。在未知序列一端加上一段多聚脱氧鸟苷（dG）尾巴，然后分别用多聚脱氧胞苷dC和已知的序列作为引物进行PCR扩增。

目的在于扩增一段已知序列旁侧的DNA，扩增前先用限制性内切核酸酶酶切样品DNA，然后用DNA连接酶连接成一个环状DNA分子，通过设计反向PCR引物扩增已知DNA序列外侧序列，即这一反应体系不是在一对引物之间而是在引物外侧合成DNA。

已广泛应用于分子生物学的各个领域，在分子克隆、法医学鉴定、DNA序列分析、致病基因的检测及考古学等方面都发挥着重要作用。通过PCR可选择性地从基因组DNA中扩增特定区域，用于DNA印迹法、RNA印迹法和DNA克隆的杂交探针。也应用于DNA测序以确定未知的扩增序列。细菌菌落（如大肠杆菌）可通过PCR快速筛选出正确的DNA载体构建体。可用于遗传指纹识别，比较不同来源DNA来鉴定人或生物体个体之间的遗传关系。可应用于基因测试，对DNA样本进行遗传疾病突变的分析。PCR分析对于移植前基因诊断也是必不可少的，甚至有研究者提议用基于PCR的测试取代传统的基于抗体的血型测试。在感染性疾病的诊断上意义重大，定量PCR研究资料已表明，病原体数量与感染性疾病病情的轻重程度、传染性及治疗效果均有相关性。用于癌基因的表达增加和突变检测，可据此进行肿瘤早期诊断、分型、分期和预后判断。