一般的PCR反應由20到35個循環組成，每個循環包括以下3個步驟：
利用高溫(93-98℃)使雙鏈DNA分離(熔解)。高溫將連接兩條DNA鏈的氫鍵打斷。在第一個循環之前，通常加熱長一些時間以確保模板和引物完全分離，僅以單鏈形式存在。該步驟時間1-2分鐘。
在DNA雙鏈分離后，降低溫度使得引物可以結合于單鏈DNA上(降溫或稱接合)。此階段的溫度通常低于引子熔點5℃。錯誤的黏合溫度可能
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導致引物不與模板結合或者錯誤地結合。該步驟時間1-2分鐘。新技術的融合型核酸聚合酶在此階段的溫度會高于熔點3~5℃，僅需時間5~10秒。
最后，DNA聚合酶由降溫時結合上的引子開始沿著DNA鏈合成互補鏈(延長)。此階段的溫度依賴于DNA聚合酶。該步驟時間依賴于聚合酶以及需要合成的DNA片斷長度。傳統的Taq估計合成1000bp大概需要1分鐘、較新的Tbr(來自于嗜熱菌Thermus brockianus)約40秒、融合型聚合酶僅約15秒。