Процес біосинтезу ДНК прийнято називати реплікацією ДНК. Матеріалом для біосинтезу ДНК служать АТФ, ГТФ, ЦТФ і ТТФ. Біосинтез протікає при наявності «запалу» – деякої кількості однонитчастої попередньо утвореної ДНК і каталізатора. Каталізатором є ДНК-полімераза, що складається з 1000 і більше залишків амінокислот. Ферментом за 1 хв., і з його допомогою з’єднуються в полинуклеотид понад 1000 нуклеотидних залишків. Нуклеотидні залишки в молекулі фрагмента ДНК з’єднані між собою З´5´-фосфодиефірними зв’язками. ДНК-полімераза каталізує приєднання залишків мононуклеотидів до вільного З´-гідроксильного кінця попередньо утвореної ДНК.
Спочатку синтезуються невеликі частини молекули ДНК. Вони піддаються дії ДНК-лігази і з’єднуються в більш довгі фрагменти ДНК. Обидва ферменти локалізовані в ядрах клітин. Деяка кількість ферментів виявлена в мітохондріях (наприклад, яйцеклітини). З діяльністю обох ферментів пов’язаний розподіл клітин. Попередньо утворена ДНК використовується як початок росту майбутньої молекули ДНК і служить також матрицею, на якій будується антипаралельний ланцюг ДНК, що відповідає попередньо утвореній ДНК за складом і послідовностю розміщення нуклеотидних залишків. Біосинтез дочірньої молекули ДНК відбувається на «розплетеній» молекулі материнської ДНК, де до одноланцюгових ділянок ДНК добудовуються мононуклеотиди за правилом комплементарності.