Khorana (1971)等最早提出核酸體外擴增的設想：“經DNA變性，與合適的引物雜交，用DNA聚合酶延伸引物，并不斷重復該過程便可合成tRNA基因。”
但由于當時基因序列分析方法尚未成熟，熱穩定DNA聚合酶尚未報道以及引物合成的困難，這種想法似乎沒有實際意義。加上70年代初分子克隆技術的出現提供了一種克隆和擴增基因的途徑，所以，Khorana的設想被人們遺忘了。
1985年，Kary Mullis在Cetus公司工作期間，發明了PCR。Mullis要合成DNA引物來進行測序工作，卻常為沒有足夠多的模板DNA而煩惱。
1983年4月的一個星期五晚上，他開車去鄉下別墅的路上,猛然閃現出“多聚酶鏈式反應”的想法。
1983年12月，Mullis用同位素標記法看到了10個循環后的49 bp長度的第一個PCR片段；
1985年10月25日申請了PCR的ZL，1987年7月28日批準（ZL號4,683,202 ），Mullis是第一發明人；
1985年12月20日在Science雜志上發表了第一篇PCR的學術論文，Mullis是共同作者；
1986年5月，Mullis在冷泉港實驗室做專題報告，全世界從此開始學習PCR的方法。