В основе метода ПЦР лежит многократное копирование (амплификация) специфического фрагмента ДНК-мишени. Такое копирование осуществляется ферментом термостабильной ДНК-полимеразой в присутствии дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дНТФ) и синтетических олигонуклеотидных (20–25 нуклеотидных пар) праймеров — затравок синтеза ДНК. Праймеры комплементарны участкам, фланкирующим последовательность-мишень на противоположных цепях ДНК. После отжига (присоединения) праймеров на противоположных цепях ДНК их 3’-концы направлены навстречу друг другу. Поскольку синтез новых комплементарных цепей ДНК инициируется 3’-гидроксильной группой праймера, то синтез копий фрагмента ДНК происходит в границах последовательности, фланкируемой (прикрываемой) праймерами. В результате происходит экспоненциальное увеличение числа копий специфического фрагмента по формуле 2ⁿ, где n — число циклов амплификации. Существует множество специализированных разновидностей ПЦР (Reverse Transcription PCR, Asymmetric PCR, Nested PCR, Inverse PCR, Touchdown PCR и др.), предназначенных для решения специальных задач, а также количественные варианты ПЦР, из которых в настоящее время широко используется ПЦР в реальном времени (Quantitative Real time PCR). Метод ПЦР в реальном времени основан на детекции флуоресценции продуктов амплификации за счет введения в реакционную смесь флуоресцирующих компонентов (флуоресцентно-меченых зондов или праймеров или собственно флуоресцентных красителей, интеркалярно встраивающихся в двухцепочечную ДНК). В нанобиотехнологии ПЦР широко используется для получения больших количеств специфических последовательностей ДНК для различного применения (создание зондов, векторов, чипов, молекул ДНК заданной геометрической формы и др.).