DNA复制（replication）是遗传的物质基础，也是细胞分裂的前提条件，对于生物的生长和繁殖十分重要。关于DNA复制的基本机制，即半保留复制（semi-conservative replication），沃森和克里克在1953年5月就已经根据DNA的双螺旋结构提出（Nature. 1953;171:964–67.），与其发表双螺旋模型论文仅隔一个月。
1958年，加州大学的梅塞尔森（Meselson M）和斯塔尔（Stahl FW）用重同位素15N标记大肠杆菌的亲代DNA，在轻培养基中复制后，再用密度梯度离心分离，证实了DNA的半保留复制机制。
半保留复制模型。Proc Natl Acad Sci U S A. 1958 Jul 15; 44(7): 671–682.
1963年凯恩斯（John Cairns）用放射自显影技术直接观察到了复制中DNA的图像，进一步证实了半保留复制机制。大肠杆菌DNA在氚标记的胸苷中复制近两代，然后进行放射自显影，未复制部分银密度低，由一条放射链和一条非放射链组成；已复制部分有一条双链是放射的，一条双链有一半是放射的（J Mol Biol. 1963 Mar;6:208-13.）。
这个实验同时证实了当时对大肠杆菌基因组呈环状排列的推测。因为观察到的环状染色体的DNA呈θ状，所以后来对环状DNA的半保留复制称为θ型复制。
原核生物多数采用θ型复制，但也有一些特殊的单向复制方式，如噬菌体φX174就采用滚环复制（rolling circle replication）：其DNA是环状单链分子，复制时先形成双链，再将正链切开，将5’连接在细胞膜上，从3’延长，滚动合成出新的正链。某些质粒采用滚环复制，线虫的线粒体DNA也采用这种复制方式（下图A）。
无脊椎动物线粒体DNA的复制。Enzymes. 2016; 39: 255–292.
线粒体DNA（mtDNA）的复制有多种方式，取代环（D环）是较常见的一种。脊椎动物mtDNA的互补链由于其独特的碱基组成而被称为重链（H）和轻链（L），其复制起点不同（称为OH和OL）。所以两条链的复制是不对称的，重链先复制，轻链保持单链而被取代，呈D环形状。当OL露出后轻链才开始复制。
其实脊椎动物mtDNA的复制也有不同的模式，除传统的D环（也称为链取代，strand-displacement）模式外，还有中间生成RNA的RITOLS / bootlace模式和双链同时复制的链结合（strand-coupled）模式（Enzymes. 2016; 39: 255–292.）。
脊椎动物线粒体DNA的复制。Enzymes. 2016; 39: 255–292.
基因组中能独立进行复制的区域称为复制子（replicon）。原核生物是单复制子，即整个基因组作为一个复制单位。真核生物是多复制子，将基因组分成多个区域分别复制。这样可以加快复制速度，所以真核生物基因组虽然比原核生物大很多，但最终的复制时间仍在同一数量级。
