在細胞分裂過程中，親代細胞所含的遺傳信息完整地傳遞到兩個子代細胞，其中的DNA 在傳代時完整地復制成兩份，這個過程稱為DNA 復制。復制是嚴格按照A 與T 配對和G 與C 配對的規律進行的，通常有高度的完整性與準確性。但生物存在的內外環境有許多使DNA 分子損傷的因素，致使復制造成一些錯誤，因此，生物體本身有一套機制來修復這種損傷。未能修復的錯誤被保留下來，成為突變。突變有可能改善了基因，增強了生物適應環境的能力;也可能產生不利的影響，嚴重的可致死。隱性突變對生物性狀不產生影響。突變是生物進化的一種手段。
(一)半保留復制
為研究復制的機理，1957 年Meselson 和Stahl 設計了一個實驗。他們先把大腸桿菌在15NH4Cl 的培養液中培育15代，使所有的DNA都被15N標記，15N-DNA(重DNA)比通常的14N-DNA(輕DNA)重約l%;然后把大腸桿菌轉移到含14NH4Cl 的培養液中繼續培育，隨著復制的進行，14N DNA不斷生成。在培育過程的不同時間取出樣品，將大腸桿菌細胞用裂解液裂解，放入CsCl 溶液中超速離心(140,000 r/min)20小時，此時從管底到管口CsCl 密度形成一個梯度分布，DNA分子在與它密度相等的層次中停留，在紫外檢測下可觀察到一條吸收帶。他們發現在含15NH4Cl 培養液中所得到的親代全為重DNA(兩條鏈都是含15N的重鏈)，在轉移入含14NH4Cl 的培養液中所得到的第一子代(F1)的DNA則既不是重DNA，也不是輕DNA(兩條鏈都是含14N的輕鏈)，而是密度介于兩者之間的混合鏈DNA;第二子代(F2)的DNA也顯示兩條吸收帶，一條是密度介于輕、重DNA 之間的DNA，另一條是輕DNA;第三子代(F3)的DNA也顯示兩條吸收帶，使輕DNA的比例加大;第四子代(F4)的輕DNA的比例則更大。子代DNA中從不出現重DNA，說明了大腸桿菌中DNA復制是半保留復制。
他們的實驗結果支持了Watson和Crick提出的DNA復制模式。由于DNA分子由兩條多核苷酸鏈組成，兩條鏈上的堿基有嚴格的配對規律，所以兩條鏈是互補的。也就是說，DNA 分子中任一條鏈上的核苷酸排列順序就已經決定了與其互補的另一條鏈的核苷酸排列順序。所以他們提出了DNA 的半保留復制機制：DNA 在復制過程中堿基間的氫鍵首先斷裂，雙螺旋解鏈分開，兩條鏈分別作為模板合成新鏈，產生互補的兩條新鏈。這樣新形成的兩個DNA 分子與原來的DNA 分子的核苷酸順序完全一樣，只是子代DNA分子中的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的。
DNA 的半保留復制機理很好地說明了DNA 作為遺傳物質的結構與功能的完美統一。
(二)復制的起始與方向
DNA復制是從鏈上某個特定的起始點開始的，同時向兩側相反方向進行，稱為雙向復制。簡單生物像大腸桿菌只有一個起始點，真核細胞DNA 分子巨大，有多個復制起始點，哺乳動物細胞的Alu 重復序列可能與復制起始點有關。絕大部分原核細胞和真核細胞以及病毒都是雙向復制，并且兩個方向的復制速率對稱相等。
復制開始時起始點處的DNA雙螺旋先解開，電鏡下可看到眼泡狀，稱為復制泡或復制眼;松解開的兩股DNA 單鏈和未松解開的雙螺旋形狀像一把叉子，稱為復制叉;復制起始點和兩側的復制叉共同構成一個單位，稱為復制子。大腸桿菌只形成一個復制子，而真核細胞由于有多個復制起始點，所以有多個復制子。
由于DNA雙螺旋的兩條鏈為反向平行，所以當復制時兩條母鏈松解開分別作為模板合成子鏈，如果一條子鏈的方向是5’-3’，則另一條子鏈的方向為3’-5’。DNA 聚合酶的催化合成的方向只能是5’-3’，故一條子鏈能夠以 5’-3’的方向連續合成，稱為前導鏈;另一條子鏈只能以5’-3’的方向不連續合成許多小片段，這條鏈被稱為隨從鏈，這些小片段被稱為崗崎片段，小片段的隨從鏈最后由DNA 連接酶連接成完整的一條子鏈。
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