Le PCR utilise deux étapes différentes pour obtenir des millions à des milliards de copies d'ADN. Dans un premier pas se fait la séparation de la cible de l'ADN double brin par chauffage et, dans une deuxième étape, la réplication enzymatique de l'ADN par l'intermédiaire de l'ADN polymérase. En laboratoire, les réactifs nécessaires à une PCR sont mélangés dans un seul tube, et les étapes de séparation et de réplication sont répétées plusieurs fois dans un "thermocycleur". Le nombre de cycles de réplication peut influencer la sensibilité de la méthode.