PCR过程分三步：变性--退火--延伸，PCR中会对这三步循环播放。
A. 变性
在开始准备变性的过程中，要慢慢加热混合物，加热混合物时，两条链间氢键会融化，DNA两股链会分开，就像上图粉色的部分。如果混合物热的情况下，引物不会和DNA黏在一起，两条DNA链也不会黏在一起。
B. 退火
接下来混合物慢慢的冷却，这时引物会黏在DNA上，因为引物较小，更容易漂浮起来，和DNA结合。温度控制在54摄氏度左右可以保证引物序列和DNA互补配对，而DNA双链不会黏在一起。
C. 延伸
这一步我们需要一个帮助DNA复制的工具，即聚合酶链式反应中的聚合酶（polymerase）。下图中绿色的图形就代表着DNA聚合酶，所到之处万物生，这也是我们身体各个细胞中用来复制DNA的工具。聚合酶的作用方式也非常生猛，直接找到部分单链，部分双链的地方，咬住那里的序列开始进行复制。也就是说聚合酶会先找到引物，开始沿着引物进行缺失的序列填充。如下图中看到的，在一轮填充序列后，引物所在的链条（橙色链）会被补齐。这一步中会加入As, Cs, Gs和Ts这些DNA原材料，这样可以把他们整合到新的与模板DNA 链互补的半保留复制链。这一步的温度稍微高一些，大概是72摄氏度。起初我们加入的是双链DNA，在一个周期后，我们会获得四条链，两个周期后获得8条链，30个周期后，会获得10亿条DNA链。