Принцип ПЛР полягає у використанні ДНК, яка денатурує і стає одноланцюговою при високій температурі 95°C in vitro. При низьких температурах (зазвичай близько 60°C) праймери та одноланцюжки об’єднуються за принципом комплементарного спарювання основ, а потім температура регулюється до ДНК-полімерази. При оптимальній температурі реакції (близько 72°C) ДНК-полімераза синтезує комплементарні ланцюги в напрямку фосфорної кислоти до п'яти вуглецевих цукрів (5'-3').
Найціннішою сферою застосування ПЛР є діагностика інфекційних захворювань. Теоретично, поки в зразку є патоген, можна виявити ПЛР.
В ході експериментів було виявлено, що ДНК також може бути денатурована і розплавлена при високих температурах, а при зниженні температури її можна ренатурувати в подвійні нитки. Тому, керуючи денатурацією та ренатурацією ДНК за допомогою температурних змін, додаючи праймери дизайну, ДНК-полімеразу та dNTP, можна завершити реплікацію специфічних генів in vitro.
Однак при високих температурах ДНК-полімераза інактивується. Тому в кожному циклі необхідно додавати нову ДНК-полімеразу, що не тільки громіздко, але й дорого, що обмежує застосування та розвиток технології ПЛР.
