DNA聚合酶是PCR的重要组成部分，它们能够从单链DNA模板合成新的互补链。所有DNA聚合酶都具有 5′→ 3′ 聚合酶活性，即掺入核苷酸并使引物从按5’至3’方向延伸（图 2）。
早期的PCR，通常使用来源于 大肠杆菌 的DNA聚合酶I上的 Klenow片段 来生成新的子链[3]。但是，这种 大肠杆菌酶对热敏感，易受到变性阶段高温度的破坏，从而无法继续进行退火和延伸步骤。因此，需要在全程每个循环的退火步骤中重新补充酶。
热稳定DNA聚合酶的发现是一项重大进步。它实现了长时间的反应稳定性，为PCR方法的改进提供了无限可能。1976年，从耐热菌 Thermus aquaticus 中分离出来的Taq DNA 聚合酶是最有名的热稳定DNA聚合酶之一 [5,6]。1988年研究人员首次报道，证明 Taq DNA 聚合酶能够在 75°C以上保持活性，从而无需手动加入新鲜的酶即可持续循环扩增，实现了工作流程自动化。此外，与 大肠杆菌 DNA聚合酶相比， Taq DNA 聚合酶能够获得更长的PCR扩增子，并且具有更高的灵敏度、特异性和得率。也因此， Taq DNA 聚合酶被 《科学》 杂志评为1989年的“年度分子”[8]。
尽管 Taq DNA 聚合酶大大改善了PCR实验方法，但也表现出一些缺点。例如，TaqDNA 聚合酶在90°C以上的DNA链变性温度中相对不稳定。对于需要更高解离温度的富含GC和/或具有强二级结构的DNA模板而言，这一问题尤为明显。同时， Taq DNA 酶还缺乏校正活性，会在扩增期间引入错误核苷酸。对于克隆和测序而言，序列的准确性至关重要，所以不能存在含有错配的PCR扩增子。此外， Taq DNA 聚合酶的易错配特性使其通常无法稳定扩增长度大于5 kb的片段。为克服这些缺点，性能更好的DNA聚合酶不断被开发出来，使PCR在广泛的生物学应用中发挥其强大的功能（了解关于 DNA 聚合酶特点的更多信息）。
