De PCR-reactie bestaat uit drie verschillende fasen.
De eerste stap is een temperatuursverhoging waardoor het DNA denatureert. Dat wil zeggen dat de waterstofbruggen tussen de DNA-strengen worden verbroken. Daardoor valt de dubbele helix van het DNA uit elkaar.
Vervolgens worden er primers toegevoegd. Dit zijn kleine stukjes chemisch gesynthetiseerd DNA, waarvan de basenvolgorde (volgorde van de bouwstenen C, A, G en T) complementair is met die van de uiteinden van het te vermeerderen DNA fragment. Deze primers zorgen ervoor dat aan de opengebroken streng DNA, weer nieuwe basen gekoppeld kunnen worden.
Dit gebeurt onder invloed van het enzym polymerase. Dit is de laatste fase van de PCR-reactie. Polymerase zorgt er voor dat de primers verder worden verlengd tot een compleet stuk DNA, door de toegevoegde losse DNA-bouwstenen op de juiste plaats aan elkaar te koppelen. Tegen beide gesplitste strengen ontstaat zo een nieuwe streng van DNA en zo wordt de hoeveelheid DNA verdubbeld. Door de stappen meerdere malen te herhalen, wordt een specifiek stuk DNA zeer vaak vermenigvuldigd.
