PCR由一系列復雜的化學反應，包含前、中、后三個階段。最重要的化學變化是熱循環期間的產物合成。每次循環后產物、模板、聚合酶、引物和脫氧核苷酸的余量都會改變，處于連續的不穩定狀態。所有的循環都是從模板和先前產物的變性開始。當溫度較低時，引物退火到模板上。

 

早先若干循環的退火步驟要求引物尋找正確的染色體模板作為它們的目標。在中期的循環中，先前合成的產物優先成為模板。最后幾個循環中，增擴后的高濃度產物互相雜交，由此阻止與引物的雜交。

引物退火后，Taq DNA聚合酶把自己定位到引物和模板綜合體上，提取介質中的自由dNTPs然后沿著模板延伸。從本質上講，引物和模板的任何反應都會造成產物擴展，它們的特異性在最初的幾個循環中可能很難控制，得到非特異性產物的摩爾量超過在模板上正確退火位置的量。PCR反應特異性的可靠度依賴于2個引物必須定位到互補的DNA鏈上。進一步講，退火溫度和Mg2+離子的濃度影響引物穩定的雜交到模板上，雜交位置間距應小于10kb。

 

相比之下，增擴階段的大部分循環里，模板被很好的與先前增擴的片段區分開。這些片段的數量取決于早先若干個循環的嚴密性。甄選同源性引物的退火位置是較簡單的，增擴期間由染色體DNA貢獻的有效的模板數量只是可以忽略一小部分。甄選的復雜性被超量由引物從互補位點新增擴的片段所降低。

 

 

熱力學方面的影響對PCR來講是試劑濃度和模板間的對應關系。在起先的循環中PCR試劑的摩爾比率是最高的，隨著PCR產物的增加而降低。令人驚訝的是這種減低是由增擴的目標分子的增加引起的而不是由于試劑的消耗。最初剩余的引物和脫氧核苷酸與模板的比率是固定的，反應結束后，dNTP的濃度下降超過1倍，引物任然剩余95%，Taq DNA聚合酶沒有變化。增擴千萬倍目標分子后，模板分子遠多于酶分子。當產物增加后，酶全部被占用了，引物和模板的比率減低，推動自身退火。當自身退火的數量增加或酶的總量有時，反應處于飽狀態并停止指數級的增長。增擴階段是自我受限的。這個階段之后，熱循環轉向未在最初幾個循環中被選擇的欺騙性的目標增擴，盡管能夠通過提高開始時Taq DNA聚合酶和引物的含量來維持高試劑比率，但這種修改很可能引起丟失特異性因為引物會胡亂雜交，出現額外的條帶和斑點。