DNA复制是细胞在分裂前复制其基因组的过程，确保每个子细胞获得一份相同的遗传物质。该过程是半保留的，意味着每个新的DNA分子由一条原始链和一条新合成的链组成。该原理也是用于扩增特定DNA序列的PCR技术的基础。

复制起点

复制起始于称为复制起点的特定序列。在大肠杆菌中，单一起点称为oriC，是一个245碱基对的区域，包含DnaA盒序列和富含AT的重复序列。起始蛋白DnaA与这些序列结合，引起富含AT区域的局部解链。真核染色体包含多个复制起点，间隔约30至100千碱基。许可系统通过在G1期加载Mcm解旋酶复合物确保每个起点在每个细胞周期中仅启动一次。

复制叉

一旦DNA打开，复制机器在复制叉处组装。DNA解旋酶解开双螺旋，细菌中为DnaB，真核生物中为含有Mcm2-7的CMG复合物。单链结合蛋白覆盖暴露的链，防止重新退火并保护其免受核酸酶作用。拓扑异构酶缓解解旋在复制叉前方产生的扭转应力。

DNA聚合酶

DNA聚合酶催化核苷酸添加到生长中的DNA链的3’端，需要模板和具有游离3’羟基的引物。它们始终以5’到3’方向合成，不能从头开始合成。大肠杆菌有五种DNA聚合酶，Pol III是主要复制酶。真核生物至少有15种，Pol δ和Pol ε分别负责后随链和前导链合成。

前导链和后随链合成

由于DNA聚合酶只能以5’到3’方向合成，两条链的复制方式不同。前导链沿复制叉移动的相同方向连续合成，只需要一个引物。后随链以称为冈崎片段的短片段不连续合成，每个片段需要一个新的引物。在真核生物中，冈崎片段约100至200个核苷酸长。引物酶（一种专门的RNA聚合酶）合成约10个核苷酸的短RNA引物。

引物去除和连接

后随链上的RNA引物必须被去除并替换为DNA。在细菌中，DNA聚合酶I通过其5’到3’外切核酸酶活性去除RNA引物并填补缺口。在真核生物中，RNase H去除大部分引物，FEN1核酸酶去除最后一个核糖核苷酸。DNA连接酶密封相邻片段之间的切口，在细菌中消耗NAD⁺，在真核生物和古菌中消耗ATP。限制性内切酶消化产生可由DNA连接酶在分子克隆中连接的相容片段。

复制保真度

DNA复制实现了显著的准确性，错误率约为每10¹⁰个核苷酸一个错误。这种保真度源于三种机制。第一，DNA聚合酶具有高度的几何选择性，在掺入过程中区分错误碱基配对。第二，复制聚合酶的3’到5’外切核酸酶活性校对新添加的碱基，立即去除错配。第三，复制后错配修复纠正逃脱校对的错误。错配修复缺陷导致微卫星不稳定性并易患遗传性非息肉病性结直肠癌。

端粒复制

线性真核染色体的末端存在特殊问题，因为DNA聚合酶无法复制后随链的最末端。端粒（染色体末端的重复DNA序列）由端粒酶（一种携带自身RNA模板的专门逆转录酶）延伸。端粒酶在人类中添加TTAGGG重复序列，防止逐渐缩短。端粒酶在生殖细胞、干细胞和大多数癌细胞中活跃，而体细胞缺乏端粒酶，每次分裂都会经历端粒缩短，导致细胞衰老。