PCR põhimõte on kasutada DNA-d, mis in vitro kõrgel temperatuuril 95°C denatureerub ja muutub üheahelaliseks. Madalatel temperatuuridel (tavaliselt umbes 60 °C) kombineeritakse praimerid ja üksikud ahelad aluste komplementaarse sidumise põhimõttel ning seejärel reguleeritakse temperatuur DNA polümeraasiga. Optimaalsel reaktsioonitemperatuuril (umbes 72 °C) sünteesib DNA polümeraas komplementaarsed ahelad mööda fosforhappe suunda viieks süsiniku suhkruks (5'-3').
PCR-i kõige väärtuslikum rakendusvaldkond on nakkushaiguste diagnoosimine. Teoreetiliselt saab PCR-i tuvastada seni, kuni proovis on patogeen.
Katsetes leiti, et DNA-d saab ka kõrgel temperatuuril denatureerida ja sulatada ning temperatuuri langetamisel saab selle uuesti kaheahelaliseks renatureerida. Seega, kontrollides DNA denaturatsiooni ja renaturatsiooni temperatuurimuutuste abil, võib disainipraimerite, DNA polümeraasi ja dNTP-de lisamine viia lõpule spetsiifiliste geenide in vitro replikatsiooni.
Kuid DNA polümeraas inaktiveeritakse kõrgel temperatuuril. Seetõttu tuleb igas tsüklis lisada uus DNA polümeraas, mis pole mitte ainult tülikas käitada, vaid ka kallis, mis piirab PCR-tehnoloogia rakendamist ja arendamist.