Bei der PCR benützen wir diese Trennung des Doppelstrangs und Neusynthese des Komplementärstrangs anhand der beiden Einzelstränge, um die DNS zu kopieren. Allerdings benützen wir von allen Werkzeugen, die die Zelle dazu einsetzt, nur ein einzelnes: Ein Enzym, das zwar einen Komplementärstrang verlängern kann, aber nicht selber einen neuen Stang beginnen kann. Durch Zugabe von kleinen Stücken von synthetisch hergestelltem Komplementärstrang können wir dieses Enzym dazu zwingen, an einer ganz bestimmten Stelle mit seine Arbeit zu beginnen, und aus der immensen Informationsmenge der DNS nur ein bestimmtes Gen zu kopieren.

Rechts oben sehen Sie den einfachen Teil der PCR-Maschine: Eigendlich nur eine elektronisch gesteuerte Heizplatte, die nach einem exakten Zeitplan eine winzige Menge Substanz erwärmt und wieder abkühlt

Im unteren Bild ist der komplexe Teil der PCR-Maschine dargestellt: das Enzym DNA-Polymerase. DNS-Polymerasen kommen in allen lebenden Zellen vor, sie sind ja dafür verantwordlich, dass die Erbinformationen kopiert und an die Nachkommen weitergegeben werden kann. In der PCR wird eine besonders Hitze-resistente Polymerase verwendet. Diese wird von einem Bakterium (Thermus Aquaticus, daher taq-Polymerase) gemacht, das normalerweise in heissen Quellen bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt lebt.

Die Polymerase bindet an den DNS-Primer Doppelstrang. Sie gleitet entlang der DNS zum Ende des Doppelstrangs und verlängert den Primer, indem sie aus der Reaktionsmischung den zum ersten nächsten freien Element des Matrizenstrangs komplementären Baustein herausfischt und an den Primerstrang anhängt

In der PCR-Maschine werden die beiden Stränge der DNA durch erhitzen getrennt. Die Probe wird zu schnell abgekühlt, als dass sich die beiden Stränge wieder finden. Die meisten Stränge werden von dem in grossem Überschuss zugegebenen synthetischen "Primer" besetzt, der damit die Polymerase an den gewünschten Anfangspunkt bringt. Die Polymerase verlängert nun den Primer, indem sie die zugegebenen DNA-Bausteine passend zum Mutterstrang mit dem Primer verknüpft und so den Primer verlängert und eine Komplementärkopie zum ursprünglichen DNS-Strang erstellt. Diese Prozedur kann beliebig oft wiederholt werden. Bei jeder Runde wird die Anzahl DNA-Kopien verdoppelt: 2,4,8,16.. nach 30 Runden sind es 2 hoch 30, also etwa eine Milliarde Kopien. Dazu braucht es etwa zweieinhalb Stunden.

Die PCR-Methode lässt sich auf unterschiedliche Weisen erweitern. Es ist möglich, Primer mit "Fehlern" zu verwenden, um die DNA gezielt zu verändern und Mutationen in ein Gen einzubauen. Die Fehlerrate der Polymerase lässt sich in einem gewissen Mass steuern. Diese veränderte DNA kann man wieder in Bakterien oder andere Organismen einbauen, um so Eiweissstoffe mit veränderten Eigenschaften zu erzeugen. Es ist sogar möglich, Zyklen von DNS-Vermehrung und Veränderung mit deren Übersetzung in Eiweissstoffe und der Auswahl der Besten dieser veränderten Moleküle so zu kombinieren, dass Evolution im Reagenzglas möglich wird. Dies ist eine erstaunlich effiziente Methode, um die Funktion und Eigenschaften von Eiweisstoffen zu verbessern.