PCR koosneb neljast järgmisest etapist:
1. Denatureerimine kuumusega:kaheahelaline DNA eraldatakse kaheks üksikuks ahelaks protsessiga, mida nimetatakse denaturatsiooniks ja mis toimub temperatuuril üle 90 kraadi Celsiuse järgi. Kuumus purustab vesiniksidemed aluspaaride vahel, samas kui tugevamad sidemed desoksüriboosi ja fosfaatide vahel jäävad puutumatuks.
2. Praimeri lõõmutamine sihtjärjestuseni:enne sihtjärjestuse (tavaliselt 100-600 aluspaari vahel) replitseerimist tuleb see sihtida, kasutades praimereid, mis sihivad sihtmärk-DNA järjestuse otsad, anniilides (seondudes) komplementaarse järjestusega. Lõõmutamine toimub madalamal temperatuuril (vahemikus 40–65 kraadi Celsiuse järgi), mis sõltub praimerite pikkusest ja alusjärjestusest.
3. Laiendus:pärast anniilimist tõstetakse temperatuur 72 kraadini Celsiuse järgi ja DNA ahelate replikatsiooniks kasutatakse Taq DNA polümeraasi ensüümi. Sünteesi (või pikendamise) käigus sünteesitakse kaks identset kaheahelalist DNA molekuli.
4. Esimese PCR tsükli lõpp:pärast mida korratakse protsessi üldiselt 25–35 korda.