变性DNA只要消除变性条件，二条互补链还可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这一过程称为复性（renaturation）。通常DNA热变性后，将温度缓慢冷却，并维持在比Tm低25～30℃左右时，变性后的单链DNA即可恢复双螺旋结构，因此，这一过程又叫做退火。复性后的DNA，理化性质都能得到恢复。倘若DNA热变后快速冷却，则不能复性（图18-5）。
图18－5 热变性过程和两种冷却过程示意图
影响复性速度的因素很多，同样条件下，DNA顺序简单的分子复性很快，如polyd[T]和polyd[A]由于彼此互补识别很快，故能迅速复性。但顺序较复杂的DNA分子复性则较慢。因此通过变性速率的研究，可以了解DNA顺序的复杂性。DNA片段的大小也影响变性的速率，因为DNA片段愈大，扩散速度愈低，使DNA片段线状单链互相发现互补的机会减少。因此，在复性实验中，有时将DNA切成小片段，再进行复性。同样条件下，同一种DNA浓度愈高，复性速度也愈快。溶液的离子强度对复性速度也有影响，通常盐浓度较高时，复性速度较快。
Doty研究小组是最早对DNA变性过程进行深入研究的。它们所获得的结果表明，在达到Tm值时，两条DNA单链分离开。如果在加热之后慢慢地冷却，则出现部分复性，即DNA的一部分回复到双螺旋结构。复性的程度取决于DNA浓度及信息含量的多少。病毒DNA（信息含量少）比哺乳动物DNA容易复性，而DNA浓度较高时，有利于复性，快速冷却使DNA仍然处于变性状态，这时自由单链成链线团结构。对这种情况，人们称之为螺旋-线团转化过程（helix-coil-transition）。快速冷却时消光系数固然有所下降，但比天然DNA的数值始终要大。
细胞核DNA复性的动力学研究指出，DNA内很少片段有重复的或很相似的碱基顺序（所谓重复DNA）。DNA复性的程度和过程与其信息含量的多少等有关；因而病毒DNA比细菌DNA复性得快。Britten发现一种测定和观察复性过程的方法。X轴表示变性DNA原始浓度（Co）和保温时间的乘积，纵轴表示DNA复性部分（重新作为双螺旋结构出现）。DNA比例可以用羟基磷灰石柱的办法加以确定，因为这种柱能够使单链和双链DNA分离开来。DNA复性曲线呈S形，随着信息含量增加，此形状相同曲线往往较高Co.t值处移动。奇怪的是，从细胞核来的DNA在复性时显示出完全不同的情形：这些DNA中的一部分异常快地复性，而另一些DNA只有在极高的Co.t值时才出现预期的复性。对快速复性可以作这样的解释，即在某一DNA之内同时有几个相同或很类似的顺序存在，因而找重复顺序比找DNA内唯一顺序要快得多。后者含有特殊的遗传信息，常被称为独特DNA。与之相反是重复DNA片段。
真核DNA自发复性的一种特殊途径是通过发夹结构。对单链而言，要生成这种发夹结构，要求一种特定的碱基顺序，这种顺序称作回文（正读反读都相同）结构。为了构成回文结构，DNA片段的碱基顺序必须在互补链内找到相反的顺序；在具有相反碱基顺序的两个DNA片段之间，显然常常出现短的中间片段由于存在这样的核苷酸顺序，在复性时就能形成发夹结构。
如果存在很多重复回文结构，在部分复性时就能通过形成DNA侧链而出现十字结构。DNA回文结构使DNA片段出现回旋对称性。这种结构常常出现在DNA和蛋白质之间相互作用的地方，特别是后者起控制作用时。
