Come fa l'organismo a distribuire il materiale genetico a ogni cellula in formazione? Nel 1953, all'interno del loro celebre articolo sulla struttura del DNA, James Watson e Francis Crick ipotizzarono per la prima volta l'esistenza di un meccanismo di copiatura di questa molecola basato sulle regole di appaiamento delle basi azotate. L'adenina si lega con la timina mediante due legami.
mentre la guanina si unisce sempre alla citosina per mezzo di tre legami idrogeno. Qualche anno più tardi, Matthew Meselson e Franklin Stahl confermarono questa intuizione per via sperimentale, giungendo alla conclusione che il modello duplicativo del DNA è di tipo semiconservativo. Nella prima fase della duplicazione, la molecola di DNA viene aperta dall'enzima DNA-elicasi.
Questa proteina rompe i doppi legami a idrogeno che appaiano le basi azotate e forma una bolla nel doppio filamento mantenuta dalle proteine SSB. In una fase successiva, la DNA primasi sintetizza piccoli inneschi nucleotidici, a partire dai quali la DNA polimerasi aggiunge i nucleotidi liberi alle due catene in formazione, usando come stampo i filamenti dell'elica madre. Il filamento con l'estremità treprimo libera a livello della forcella è duplicato in continuo, mentre l'altra catena viene duplicata in modo discontinuo sotto forma di piccoli frammenti nucleotidici, i cosiddetti frammenti di Okazaki.
Questi ultimi sono poi fusi assieme dall'intervento della DNA ligasi. Nonostante la complessità del meccanismo di duplicazione, il livello di accuratezza è elevatissimo, solo un errore per ogni miliardo di basi duplicate, e all'occorrenza la polimerasi diventa anche un'ottima correttrice di bozze per riparare i pochi errori commessi.