在细胞分裂过程中，亲代细胞所含的遗传信息完整地传递到两个子代细胞，其中的DNA 在传代时完整地复制成两份，这个过程称为DNA 复制。复制是严格按照A 与T 配对和G 与C 配对的规律进行的，通常有高度的完整性与准确性。但生物存在的内外环境有许多使DNA 分子损伤的因素，致使复制造成一些错误，因此，生物体本身有一套机制来修复这种损伤。未能修复的错误被保留下来，成为突变。突变有可能改善了基因，增强了生物适应环境的能力;也可能产生不利的影响，严重的可致死。隐性突变对生物性状不产生影响。突变是生物进化的一种手段。
(一)半保留复制
为研究复制的机理，1957 年Meselson 和Stahl 设计了一个实验。他们先把大肠杆菌在15NH4Cl 的培养液中培育15代，使所有的DNA都被15N标记，15N-DNA(重DNA)比通常的14N-DNA(轻DNA)重约l%;然后把大肠杆菌转移到含14NH4Cl 的培养液中继续培育，随着复制的进行，14N DNA不断生成。在培育过程的不同时间取出样品，将大肠杆菌细胞用裂解液裂解，放入CsCl 溶液中超速离心(140,000 r/min)20小时，此时从管底到管口CsCl 密度形成一个梯度分布，DNA分子在与它密度相等的层次中停留，在紫外检测下可观察到一条吸收带。他们发现在含15NH4Cl 培养液中所得到的亲代全为重DNA(两条链都是含15N的重链)，在转移入含14NH4Cl 的培养液中所得到的第一子代(F1)的DNA则既不是重DNA，也不是轻DNA(两条链都是含14N的轻链)，而是密度介于两者之间的混合链DNA;第二子代(F2)的DNA也显示两条吸收带，一条是密度介于轻、重DNA 之间的DNA，另一条是轻DNA;第三子代(F3)的DNA也显示两条吸收带，使轻DNA的比例加大;第四子代(F4)的轻DNA的比例则更大。子代DNA中从不出现重DNA，说明了大肠杆菌中DNA复制是半保留复制。
他们的实验结果支持了Watson和Crick提出的DNA复制模式。由于DNA分子由两条多核苷酸链组成，两条链上的碱基有严格的配对规律，所以两条链是互补的。也就是说，DNA 分子中任一条链上的核苷酸排列顺序就已经决定了与其互补的另一条链的核苷酸排列顺序。所以他们提出了DNA 的半保留复制机制：DNA 在复制过程中碱基间的氢键首先断裂，双螺旋解链分开，两条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条新链。这样新形成的两个DNA 分子与原来的DNA 分子的核苷酸顺序完全一样，只是子代DNA分子中的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。
DNA 的半保留复制机理很好地说明了DNA 作为遗传物质的结构与功能的完美统一。
(二)复制的起始与方向
DNA复制是从链上某个特定的起始点开始的，同时向两侧相反方向进行，称为双向复制。简单生物像大肠杆菌只有一个起始点，真核细胞DNA 分子巨大，有多个复制起始点，哺乳动物细胞的Alu 重复序列可能与复制起始点有关。绝大部分原核细胞和真核细胞以及病毒都是双向复制，并且两个方向的复制速率对称相等。
复制开始时起始点处的DNA双螺旋先解开，电镜下可看到眼泡状，称为复制泡或复制眼;松解开的两股DNA 单链和未松解开的双螺旋形状像一把叉子，称为复制叉;复制起始点和两侧的复制叉共同构成一个单位，称为复制子。大肠杆菌只形成一个复制子，而真核细胞由于有多个复制起始点，所以有多个复制子。
由于DNA双螺旋的两条链为反向平行，所以当复制时两条母链松解开分别作为模板合成子链，如果一条子链的方向是5’-3’，则另一条子链的方向为3’-5’。DNA 聚合酶的催化合成的方向只能是5’-3’，故一条子链能够以 5’-3’的方向连续合成，称为前导链;另一条子链只能以5’-3’的方向不连续合成许多小片段，这条链被称为随从链，这些小片段被称为岗崎片段，小片段的随从链最后由DNA 连接酶连接成完整的一条子链。
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