Jest to tworzenie odcinków dwuniciowych składających się z przygotowanych starterów (cząsteczek DNA komplementarnych do sekwencji DNA oskrzydlających namnażany gen) i matrycowej cząsteczki DNA. Etap ten przebiega w niższej temperaturze, ściśle określonej dla danej pary starterów (45–60 °C), które przyłączają się do matrycy DNA. Ponieważ roztwory starterów są dodawane w dużym nadmiarze w stosunku do matrycy, jest bardzo mało prawdopodobne, żeby na tym etapie zamiast hybryd starter–matryca utworzyły się hybrydy połączonych z sobą dwóch nici matrycy. Wydłużanie łańcucha (elongacja). Na tym etapie zachodzi właściwa synteza DNA i tym samym amplifikacja pożądanego genu. Podwyższenie temperatury do około 72 °C powoduje utworzenie się na matrycy, z przyłączonymi do niej starterami, kompleksu z polimerazą DNA, w wyniku czego rozpoczyna się synteza nici komplementarnej do matrycy. Reakcja ta trwa zwykle 30 sekund. Następnie cykl powtarza się i w kolejnym etapie przyłączania starterów i elongacji jako matryca mogą służyć wszystkie zsyntetyzowane dotychczas cząsteczki genu.