La reazione a catena della polimerasi (PCR, in inglese, Polymerase Chain Reaction), venne introdotta nel 1987 ed in pochi anni ha rivoluzionato la biologia molecolare. La PCR permette l'amplificazione in vitro di campioni estremamente diluiti di DNA, senza preliminare trasferimento in cellule viventi. Questa tecnica ha facilitato l'analisi dei geni eucariotici, poichè evita parte delle lungaggini associate al clonaggio di DNA da genomi molto estesi. La PCR richiede la conoscenza delle sequenze adiacenti alla regione da amplificare. Mediante sintesi chimica automatizzata vengono prodotti oligonucleotidi, complementari a queste sequenze adiacenti, che vengono utilizzati come innesco (primers ) per una serie particolare di reazioni catalizzate dalla DNA polimerasi (Figura 1). Innanzitutto il DNA contenente la sequenza da amplificare viene denaturato al calore (~95 °C) e quindi fatto ibridare con i primers presenti in eccesso nella miscela di reazione (~60 °C). Successivamente, viene effettuata con la DNA polimerasi l'estensione della catena a partire dalle terminazioni 3’-OH dei primers (~ 72 °C) (Figura 2). A questo punto si compie un altro ciclo di denaturazione termica, ibridazione ed estensione degli inneschi. L'uso di una forma termostabile di DNA polimerasi, la Taq polimerasi, da un batterio che vive ad alte temperature (in sorgenti idrotermali), elimina la necessità di aggiungere nuova polimerasi a ogni ciclo, poichè‚ l’ enzima non è inattivato alla temperatura di denaturazione del DNA. Questo ciclo viene ripetuto per 30 o più volte mediante un dispositivo automatico di regolazione della temperatura chiamato appunto PCR. Durante la reazione la quantità di DNA duplex cresce in modo esponenziale. Due di queste molecole vengono formate al termine del ciclo III e il loro numero raddoppia a ogni successivo ciclo (Figura 3) (Figura 4). Dopo 32 cicli, sono presenti circa un miliardo di copie (2^(n-1) per la precisione, dove n è il numero dei cicli). Sono state sviluppate innumerevoli applicazioni di questa tecnica, tra cui l’ analisi forensi, in cui viene amplificato DNA a partire da minime quantità di materiale biologico (per esempio, sangue, seme o capelli) per l’ identificazione di sospetti di atti criminali, o in casi di attribuzione di patenità. A partire dalla PCR e dall’ analisi della sequenza del DNA mitocondriale umano si è sviluppato il campo dell’ "antropologia molecolare" i cui risultati hanno permesso di formulare modelli per l'evoluzione umana. Esiste anche l’ "archeologia molecolare" basata su tecniche che prevedono l'estrazione di minime quantità di DNA da campioni biologici preservati per lunghi periodi, come organismi congelati nei ghiacci o insetti intrappolati nell' ambra (Jurassik Park).

La PCR viene utilizzata anche nella microbiologia ambientale per il rilevamanto di popolazioni microbiche sulla base di sequenze uniche dell'organismo in esame. Nello stesso modo, la PCR può essere usata per la diagnosi di infezioni microbiche o virali o nella diagnosi prenatale delle malattie genetiche, con l'utilizzo di primers specifici per l'alterazione di sequenza genica responsabile della malattia. Analogamente, possono essere rivelate mediante PCR mutazioni di oncogeni in grado di indurre il cancro, fornendo la possibilità di un'ampia analisi della sequenza delle alterazioni genetiche che portano da una lesione precancerosa a un tumore metastatico.

La PCR non è tuttavia priva di problemi tecnici. Per esempio, poichè alcune polimerasi termostabili sono prive di attività 3' esonucleasica (indispensabile per la correzione di eventuali errori di incorporazarione delle basi), la sintesi di DNA nella PCR può essere relativamente poco accurata. Questo problema può essere ovviato con l’utilizzo di polimerasi ad alta fedeltà, come la Deep-Vent DNA polimerasi o la Pfu DNA polimerasi, oppure controllando il prodotto della PCR mediante sequenziamento del DNA. Un problema molto frequente è che la grande sensibilità della tecnica può portare all'amplificazione di tracce di DNA contaminanti presenti nel campione. Questo problema viene limitato con una estrema pulizia del materiale utilizzato ed evitando il contatto con possibili fonti di DNA estraneo.