Il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche affrontate e avvolte a spirale a formare una doppia elica. Le due catene sono collegate tra loro mediante ponti idrogeno tra le basi appaiate, sono complementari e antiparallele, cioè le posizioni 3' e 5' delle molecole di desossiribosio in una catena sono orientate in direzione opposta a quella delle molecole della catena complementare. Nella terminologia corrente, un'estremità di ciascuna catena è comunemente indicata come terminazione 5' e quella opposta come terminazione 3' Il processo di duplicazione o replicazione del DNA è stato postulato da Watson e Crick nel 1953 e successivamente confermato sperimentalmente con metodi biochimici ( Meselson e Stahl, 1958 ) e con metodi autoradiografici sul batterio Escherichia Coli (Cairns, 1963). Secondo il modello semiconservativo la duplicazione comporta le seguenti fasi:

• Progressivo svolgimento delle due catene polinucleotidiche avvolte a spirale
• Separazione delle catene per apertura dei ponti idrogeno tra basi complementari appaiate, che le rende quindi libere di interagire con quelle dei nucleotidi presenti nell'ambiente ( la separazione non avviene su base enzimatica)
• Sintesi, ad opera dell'enzima DNA polimerasi, su ogni catena separata di una catena nuova complementare. Ognuna delle due catene parentali funziona da modello o stampo per la sintesi di una catena nuova mediante appaiamento di nucleotidi complementari ai propri.

Nei batteri il processo appena descritto procede da un'estremità all'altra della doppia elica come il meccanismo di apertura di una chiusura lampo di un abito da donna...
Via via che la replicazione procede, le due catene polinucleotidiche diventano quattro e formano con le porzioni non ancora replicate della molecola una Y; la conformazione assunta dalle catene in corso di replicazione prende il nome di forcella di replicazione, ed il punto di unione tra le porzioni della molecola già replicate e quelle che ancora non lo sono prende il nome di punto di crescita (fig. ). Nel punto di duplicazione le due catene parentali via via si separano; le due molecole figlie che si vanno formando rimangono adiacenti l'una all'altra finchè tutta la molecola parentale è duplicata e infine si separano. Bisogna chiarire un particolare aspetto della duplicazione del DNA: i substrati utilizzati dall'enzima DNA polimerasi non sono i nucleosidi 5'-monofosfati, bensì i nucleosidi 5'-trifosfati:

• Desossiadenosina 5'-trifosfato dATP
• Desossicitidina 5'-trifosfato dCTP
• Desossiguanosina 5'-trifosfato dGTP
• Desossitimidina 5'-trifosfato dTTP

Oltre ai quattro substrati, la sintesi del DNA richiede l'enzima DNA polimerasi e la presenza di DNA a due eliche, delle quali una serve da template o modello e l'altra da primer per l'innesco della sintesi (fig. ).
La DNA polimerasi può agire in una sola direzione, polimerizzando la molecola neoformata dall'estremità 5' a quella 3'. Dato che le due catene del DNA sono antiparallele, la catena che termina con 5' si replica con la formazione di piccoli frammenti nella direzione 5' 3' che si riuniscono fra loro in un tempo successivo ad opera di un altro enzima, la polinucleotide ligasi .

Il nucleotide che la polimerasi attacca alla catena è complementare a quello che si trova nella posizione corrispondente sullo stampo. Se il nucleotide adiacente sullo stampo è dCMP, l'enzima attacca un nucleotide dGTP. Ripetendo questa operazione, l'enzima riesce ad allungare l'estremità 3' dell'innesco fino a raggiungere l'estremità 5' dello stampo.