Replikacija DNK je proces kojim ćelija kopira svoj nasledni materijal prije diobe, tako da svaka kćerka ćelija dobije potpunu i tačnu kopiju. Prije nego što je struktura DNK uopšte bila poznata, naučnici su predložili tri moguća modela kako bi replikacija mogla teći: konzervativni (roditeljska dvostruka uzvojnica ostaje netaknuta, nastaje potpuno nova kopija), semikonzervativni (svaki novi dvolančani molekul sadrži jednu staru i jednu novu nit) i disperzivni (obje kopije sadrže izmiješane segmente stare i nove DNK).

Ovo su 1958. eksperimentalno razriješili Metju Meselson i Frenklin Stal. Gajili su bakteriju E. coli u podlozi sa "teškim" izotopom azota (15N), koji se ugrađuje u DNK, pa su bakterije prebacili u podlogu sa običnim, "lakim" azotom (14N). Poslije jedne ćelijske diobe, sva DNK se u centrifugi taložila na jednoj, srednjoj gustini - između čisto teške i čisto lake DNK. To je isključilo konzervativni model (koji bi predvidio dva odvojena traka, težak i lak). Poslije druge diobe, pojavila su se dva traka - srednji i čisto lak - što je isključilo i disperzivni model (koji bi predvidio postepeno pomjeranje jednog traka, ne razdvajanje u dva). Jedino je semikonzervativni model mogao objasniti oba nalaza - i to je model koji danas znamo da je tačan.

Kako proces teče. Replikacija počinje na tačno određenom mjestu na hromozomu, mjestu početka replikacije (origin of replication), koje prepoznaju specifični proteini. Enzim helikaza tu odmotava dvostruku uzvojnicu razbijajući vodonične veze između baza, stvarajući Y-oblikovanu strukturu koja se zove replikaciona rašlja (replication fork). Rašlja se širi u oba smjera od mjesta početka. Proteini koji vezuju jednolančanu DNK (SSB) obavijaju otvorene niti da spriječe da se ponovo namotaju, dok enzim topoizomeraza oslobađa napetost koja nastaje ispred rašlje usljed odmotavanja.

DNK polimeraza, enzim koji zapravo dodaje nove nukleotide, ima jedno strogo ograničenje: može raditi samo u smjeru 5'→3', i to samo ako već postoji slobodan 3'-OH kraj na koji se nastavlja. Pošto sama ne može započeti novu nit ni iz čega, enzim primaza prvo sintetiše kratku RNK početnicu (primer, oko 5-10 nukleotida) koja obezbjeđuje taj potreban 3'-OH kraj. Tek tada DNK polimeraza može nastaviti dodavati DNK nukleotide, komplementarne kalup-niti. Kod bakterija postoje tri glavne DNK polimeraze: Pol III stvarno sintetiše novu nit, dok su Pol I i Pol II prvenstveno zadužene za popravku i, kao što slijedi niže, za uklanjanje RNK početnica.

Vodeća i zaostajuća nit. Pošto su dvije niti antiparalelne, a polimeraza radi samo u jednom smjeru, dvije nove niti se sintetišu na različit način. Na vodećoj niti (leading strand) sinteza je kontinuirana - polimeraza jednostavno prati rašlju kako se ona otvara, uz samo jednu početnicu za cijelu nit. Na zaostajućoj niti (lagging strand) sinteza ide u suprotnom smjeru od kretanja rašlje, pa se mora odvijati u kratkim odsječcima - Okazaki fragmentima - od kojih svaki treba svoju vlastitu RNK početnicu. Važno je naglasiti: polimeraza i na zaostajućoj niti i dalje sintetiše svaki pojedinačni fragment u smjeru 5'→3' - ta smjer se nikad ne mijenja, samo se fragmenti nižu u suprotnom pravcu od kretanja rašlje. Kad fragment naiđe na početak sljedećeg, RNK početnicu uklanja egzonukleazna aktivnost DNK Pol I (kod bakterija) i zamjenjuje je DNK-om, a DNK ligaza spaja susjedne fragmente u jednu neprekidnu nit. Kod ljudskih ćelija ovaj korak rade drugi enzimi (RNaza H i FEN1 za uklanjanje početnice, DNK polimeraza δ za popunjavanje), ali princip je isti.

Cijeli proces je brz: kod E. coli replikaciona rašlja dodaje oko 1000 nukleotida u sekundi, tako da se cijeli bakterijski hromozom (4,6 miliona baznih parova) prepiše za oko 42 minuta. Kod ljudi je proces sporiji (otprilike 50 do 100 nukleotida u sekundi po rašlji) ali se to nadoknađuje time što postoji i do 100.000 mjesta početka replikacije po hromozomu - replikacija cijelog genoma se dešava tokom takozvane S faze ćelijskog ciklusa.

DNK polimeraza povremeno pogriješi i ugradi pogrešnu bazu, ali odmah nakon toga sama provjerava upravo dodatu bazu i, ako se ne uparuje ispravno, uklanja je prije nego nastavi dalje - ovo svojstvo (proofreading, korekturno čitanje) je zaslužno za veliki dio tačnosti replikacije. Detaljnije mehanizme popravke grešaka pokriva stranica Reparacija DNK.

Problem krajeva hromozoma. Bakterijski hromozom je kružan, pa nema "kraj" koji bi bio problem. Kod linearnih hromozoma, kakve imaju ljudske ćelije, postoji poseban problem: na samom kraju zaostajuće niti nema mjesta da stane posljednja RNK početnica, pa se taj kraj ne može u potpunosti kopirati. Zato krajevi hromozoma, telomere, sadrže dugačke nizove ponovljene, nekodirajuće sekvence (kod ljudi TTAGGG, ponovljene stotinama puta) - svojevrsan "zaštitni pufer" koji se troši prije nego što replikacija počne da briše prave gene. U polnim i matičnim ćelijama, enzim telomeraza nadograđuje telomere: nosi sopstveni ugrađen RNK kalup, vezuje se za kraj hromozoma i po tom kalupu dodaje nove komplementarne nukleotide na 3' kraj DNK niti, produžavajući je dovoljno da DNK polimeraza može dovršiti kopiranje. U većini odraslih tjelesnih (somatskih) ćelija telomeraza nije aktivna, pa se telomere s vremenom skraćuju sa svakom ćelijskom diobom. Otkriće ovog mehanizma je 2009. nagrađeno Nobelovom nagradom za fiziologiju/medicinu, koju su podijelili Elizabet Blekburn, Kerol Grajder (Blekburnina tadašnja doktorantkinja, sa kojom je telomerazu i otkrila 1984. godine) i Džek Sostak.