DNA複製（replication）是遺傳的物質基礎，也是細胞分裂的前提條件，對於生物的生長和繁殖十分重要。關於DNA複製的基本機制，即半保留複製（semi-conservative replication），沃森和克里克在1953年5月就已經根據DNA的雙螺旋結構提出（Nature. 1953;171:964–67.），與其發表雙螺旋模型論文僅隔一個月。
1958年，加州大學的梅塞爾森（Meselson M）和斯塔爾（Stahl FW）用重同位素15N標記大腸桿菌的親代DNA，在輕培養基中複製後，再用密度梯度離心分離，證實了DNA的半保留複製機制。
半保留複製模型。Proc Natl Acad Sci U S A. 1958 Jul 15; 44(7): 671–682.
1963年凱恩斯（John Cairns）用放射自顯影技術直接觀察到了複製中DNA的圖像，進一步證實了半保留複製機制。大腸桿菌DNA在氚標記的胸苷中複製近兩代，然後進行放射自顯影，未複製部分銀密度低，由一條放射鏈和一條非放射鏈組成；已複製部分有一條雙鏈是放射的，一條雙鏈有一半是放射的（J Mol Biol. 1963 Mar;6:208-13.）。
這個實驗同時證實了當時對大腸桿菌基因組呈環狀排列的推測。因為觀察到的環狀染色體的DNA呈θ狀，所以後來對環狀DNA的半保留複製稱為θ型複製。
原核生物多數採用θ型複製，但也有一些特殊的單向複製方式，如噬菌體φX174就採用滾環複製（rolling circle replication）：其DNA是環狀單鏈分子，複製時先形成雙鏈，再將正鏈切開，將5’連接在細胞膜上，從3’延長，滾動合成出新的正鏈。某些質粒採用滾環複製，線蟲的線粒體DNA也採用這種複製方式（下圖A）。
無脊椎動物線粒體DNA的複製。Enzymes. 2016; 39: 255–292.
線粒體DNA（mtDNA）的複製有多種方式，取代環（D環）是較常見的一種。脊椎動物mtDNA的互補鏈由於其獨特的鹼基組成而被稱為重鏈（H）和輕鏈（L），其複製起點不同（稱為OH和OL）。所以兩條鏈的複製是不對稱的，重鏈先複製，輕鏈保持單鏈而被取代，呈D環形狀。當OL露出後輕鏈才開始複製。
其實脊椎動物mtDNA的複製也有不同的模式，除傳統的D環（也稱為鏈取代，strand-displacement）模式外，還有中間生成RNA的RITOLS / bootlace模式和雙鏈同時複製的鏈結合（strand-coupled）模式（Enzymes. 2016; 39: 255–292.）。
脊椎動物線粒體DNA的複製。Enzymes. 2016; 39: 255–292.
基因組中能獨立進行復制的區域稱為複製子（replicon）。原核生物是單複製子，即整個基因組作為一個複製單位。真核生物是多複製子，將基因組分成多個區域分別複製。這樣可以加快複製速度，所以真核生物基因組雖然比原核生物大很多，但最終的複製時間仍在同一數量級。
原核與真核生物的複製起始模型。PLoS Genet. 2019 Sep 12;15(9):e1008320.
1963年，Francois Jacob和Sydney Brenner提出了複製子模型來解釋DNA的複製機制。複製子模型包含兩個特定的組件：起始蛋白（initiator）和複製基因（replicator）。複製基因是順式元件，即DNA中的一段特定序列；起始蛋白是反式因子，可以識別並結合複製基因，從而啟動複製過程。
複製基因中開始複製的序列稱為複製起點（origin of replication）。大腸桿菌的複製起點稱為oriC。從理論上說，複製起點是複製基因的一部分，不過這兩個詞也經常混用。
大腸桿菌複製起點結構。Front Microbiol. 2017; 8: 2496.
複製子假說得到許多研究結果的支持，也可以用來解釋很多實驗現象，比如質粒的不相容性：具有相同複製起點的質粒需要相同的起始蛋白，競爭會影響其正常複製。
不同生物的具體複製機制有很大差別，但大體過程相同，都是識別起點-加載解旋酶-組裝複製體。下圖為真核生物、細菌、古細菌（archaea）和病毒的複製起始過程。
不同生物的複製起始。Curr Opin Struct Biol. 2018 Dec; 53: 131–139.
有些生物的複製還有終止點（terminus）。大腸桿菌的複製終點稱為tus，含有23 bp的保守序列，由Tus蛋白與之結合，參與複製的終止。
大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的複製終止。Structure. 1997 Jan 15;5(1):1-5.
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