双链DNA断裂可通过两条主要途径修复:同源重组和非同源端连接。在酵母等简单真核生物中，同源重组是主要途径，而在哺乳动物等高等真核生物中，非同源末端连接成为主要途径。
同源重组涉及多种蛋白质，如Rad52、MRE11-Rad50-NSB1复合体、Rad51。同源重组涉及受损DNA和未受损DNA分子之间的一种关系，它们具有相同的序列同源性。这个未受损的DNA分子被用作DNA修复的模板。
同源重组的步骤如下:
MRE11-Rad50-NSB1复合体对损伤DNA的核苷酸限制
通过Rad52蛋白形成的七聚环复合物结合3'-单链DNA。
Rad51和Rad52之间的相互作用，刺激Rad51的DNA链交换活性。
Rad51蛋白催化受损DNA和模板DNA之间的链交换，将其中一条链取代为D-loop。
聚合酶填补DNA双链断裂的缺口。
最终的结构由Holiday junction解决。
图1:同源重组图。