PGR susideda iš keturių šių etapų:
1. Denatūravimas šiluma:dvigrandė DNR yra padalinta į dvi atskiras grandines, vykstant procesui, vadinamam denatūravimu, kuris vyksta aukštesnėje nei 90 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Šiluma suardo vandenilinius ryšius tarp bazinių porų, o stipresni ryšiai tarp dezoksiribozės ir fosfatų lieka nepažeisti.
2. Grunto atkaitinimas iki tikslinės sekos:prieš pakartojant tikslinę seką (paprastai tarp 100-600 bazių porų), ji turi būti nukreipta naudojant pradmenis, kurie nukreipia tikslinės DNR sekos galus, susijungdami (surišdami) su komplementaria seka. Atkaitinimas vyksta žemesnėje temperatūroje (nuo 40 iki 65 laipsnių Celsijaus), kuri priklauso nuo pradmenų ilgio ir bazių sekos.
3. Pratęsimas:po atkaitinimo temperatūra padidinama iki 72 laipsnių Celsijaus, o DNR grandinėms replikuoti naudojamas fermentas Taq DNR polimerazė. Sintezės (arba pratęsimo) metu sintezuojamos dvi identiškos dvigrandės DNR molekulės.
4. Pirmojo PGR ciklo pabaiga:po to procesas paprastai kartojamas nuo 25 iki 35 kartų.