หลักการของ PCR คือการใช้ DNA ที่เปลี่ยนสภาพและกลายเป็นสายเดี่ยวที่อุณหภูมิสูง 95 °C ในหลอดทดลอง ที่อุณหภูมิต่ำ (โดยปกติประมาณ 60°C) ไพรเมอร์และสายเดี่ยวจะรวมกันตามหลักการของการจับคู่ส่วนประกอบเสริมของเบส จากนั้นอุณหภูมิจะถูกปรับเป็น DNA polymerase ที่อุณหภูมิปฏิกิริยาที่เหมาะสม (ประมาณ 72°C) DNA polymerase จะสังเคราะห์สายเสริมตามทิศทางของกรดฟอสฟอริกเป็นน้ำตาลคาร์บอนห้าชนิด (5'-3')
พื้นที่ใช้งานที่มีค่าที่สุดของ PCR คือการวินิจฉัยโรคติดเชื้อ ในทางทฤษฎี ตราบใดที่มีเชื้อก่อโรคในตัวอย่าง ก็สามารถตรวจพบ PCR ได้
ในการทดลอง พบว่า DNA สามารถถูกทำให้เสียสภาพและหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงได้ และสามารถแปลงสภาพเป็นเกลียวคู่ได้อีกครั้งเมื่ออุณหภูมิลดลง ดังนั้น โดยการควบคุมการเปลี่ยนสภาพและการแปรสภาพของ DNA โดยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การเพิ่มไพรเมอร์การออกแบบ DNA polymerase และ dNTP สามารถทำให้การจำลองแบบในหลอดทดลองของยีนจำเพาะสมบูรณ์ได้
อย่างไรก็ตาม DNA polymerase จะถูกปิดใช้งานที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงต้องเพิ่ม DNA polymerase ใหม่ในแต่ละรอบ ซึ่งไม่เพียงแต่ยุ่งยากในการใช้งาน แต่ยังมีราคาแพงอีกด้วย ซึ่งจำกัดการใช้งานและการพัฒนาเทคโนโลยี PCR
