PCR reaksiyonu üç aşamadan oluşur:

Birinci aşama (denaturasyon); DNA yapısını bozma (denaturasyon) aşamasıdır. Bu amaçla karışım yüksek ısıda (94-97°C arasında 15-60 sn) ısıtılır ve çift sarmal ayrı ayrı tek zincir haline döner. DNA içeren bir çözeltide, yüksek sıcaklıkta bazlar arasındaki hidrojen bağları kopar ve çift sarmal “termal denaturasyon” açılır.

İkinci aşama (annealing); bağlanma dönemidir. Kalıp nükleik asit ipliklerinin eşleşerek çift iplikli molekül oluşturmasıdır. Denatürasyon sonrasında ortam ısısı (47-60°C arasında 30-60 sn) düşürülür ve düşük ısıda primerler, tek zincirli DNA üzerinde kendi ile eşleşen sekanslarla bağlanırlar.

Üçüncü aşama; uzama dönemidir. DNA polimeraz enzimi etkisiyle (72°C’de, 30 sn ile 3 dakika), tamamlayıcı DNA zincirinin uzatılması işlemidir.