Używanym do reakcji enzymem może być na przykład polimeraza Taq wyizolowana z bakterii Thermus aquaticus lub polimeraza Pfu z archeonów Pyrococcus furiosus. Polimeraza Pfu charakteryzuje się większą progresywnością niż Taq, jednak działa wolniej. Dostępne są także inne polimerazy, będące z reguły modyfikacjami wyżej wymienionych. Czasem dodaje się jeszcze inne składniki, na przykład roztwór tRNA (chroniący inne składniki mieszaniny przed adsorpcją na ściankach naczynia) lub barwniki i wskaźniki informujące o przebiegu reakcji (szczególnie w modyfikacjach PCR).
Przebieg reakcji thumb|400px|Przebieg reakcji PCR Reakcja PCR składa się z wielokrotnie powtarzanego cyklu trzech etapów, które zachodzą w różnych temperaturach. Można zatem wymuszać je bez ingerencji w skład mieszaniny, a jedynie przez zmianę temperatury mieszaniny reakcyjnej.
Denaturacja. Polega na rozpleceniu podwójnej helisy matrycowego DNA (lub mRNA, jeśli stanowi matrycę). W wysokiej temperaturze (zwykle około 95 °C) pękają wiązania wodorowe i podwójna helisa DNA rozdziela się na dwa pojedyncze łańcuchy. W celu uzyskania tego efektu podnosi się temperaturę mieszaniny reakcyjnej, do wymaganych 95 °C, na 15 sekund. Przyłączanie starterów (hybrydyzacja).