Načelo PCR je uporaba DNK, ki denaturira in postane enoverižna pri visoki temperaturi 95°C in vitro. Pri nizkih temperaturah (običajno okoli 60°C) se primeri in enojne verige združijo po principu komplementarnega parjenja baz, nato pa se temperatura prilagodi DNK polimerazi. Pri optimalni reakcijski temperaturi (okoli 72°C) DNK polimeraza sintetizira komplementarne verige vzdolž smeri fosforne kisline do petih ogljikovih sladkorjev (5'-3').
Najbolj dragoceno področje uporabe PCR je diagnostika nalezljivih bolezni. Teoretično je mogoče odkriti PCR, dokler je v vzorcu patogen.
V poskusih je bilo ugotovljeno, da se DNK lahko tudi pri visokih temperaturah denaturira in stopi, ob znižanju temperature pa se lahko ponovno renaturira v dvojne verige. Zato lahko z nadzorovanjem denaturacije in renaturacije DNK s temperaturnimi spremembami, dodajanjem začetnih zasnov, DNA polimeraze in dNTP dokončamo in vitro replikacijo specifičnih genov.
Vendar bo DNK polimeraza pri visokih temperaturah inaktivirana. Zato je treba v vsakem ciklu dodati novo DNK polimerazo, ki ni le okorna za delovanje, ampak tudi draga, kar omejuje uporabo in razvoj tehnologije PCR.