Podstawowa reakcja rekombinacji homologicznej (HR) obejmuje dwie chromatydy, które zawierają sekwencje DNA o wspólnym znacznym rozciągnięciu tożsamości. Jedna z tych sekwencji wykorzystuje nić z innej jako matrycę do syntezy DNA w reakcji katalizowanej enzymatem. Produktem końcowym jest nowatorskie połączenie tych dwóch substratów. Aby zapewnić dokładną rekombinację sekwencji, HR jest ograniczony do faz S i G2 cyklu komórkowego. Na tych etapach DNA zostało już zreplikowane i prawdopodobieństwo identycznej lub podobnej sekwencji DNA na chromatydzie siostrzanej jest wysokie. W ten sposób czas naprawy zapobiega rekombinacji między nieidentycznymi sekwencjami. Jest to krytyczna cecha HR, szczególnie podczas rekombinacji rodzicielskich sekwencji DNA u potomstwa, gdzie wadliwa HR może prowadzić do utraty całego genu i otaczającego go regionu chromosomalnego.

Dokładna naprawa zapewniona przez HR została zastosowana w technikach edycji genów. HR jest najwcześniejszą metodą, która została użyta do edycji genomów w żywych komórkach. System CRISPR-Cas9 służy do tworzenia ukierunkowanych pęknięć dwuniciowych w celu skorygowania mutacji powodujących chorobę w genomie. Wyizolowane fragmenty są pobierane przez komórki, gdzie mogą rekombinować z komórkowym DNA i zastępować docelowy region genomu. Mechanizmy HR regulują naprawę pęknięć i ich dokładną rekombinację z genomem komórkowym. Aby pomóc białkom HR w precyzyjnej lokalizacji przy pęknięciach dwuniciowych, białka Cas9 są łączone z białkami efektorowymi HR, które mogą rekrutować białka naprawcze w uszkodzonych miejscach. Badania wykazały, że fuzja Cas9 z białkami takimi jak CtIP, Rad52 i Mre11 może dwukrotnie zwiększyć zdarzenia HR w komórce, jednocześnie zniechęcając do łączenia niehomologicznych końców. Takie zastosowania HR w edycji genomu mogą zrewolucjonizować terapię genową i zapewnić leczenie chorób genetycznych, które obecnie uważane są za nieuleczalne.