病毒不具有能獨立進行代謝的酶系統，因此只有進入活的易感宿主細胞內，由宿主細胞提供合成病毒核酸與蛋白質的原料，如低分子量前體成分、能量、必要的酶等，病毒才能增殖。病毒增殖的方式不是二分裂，而是自我複製。即以病毒核酸為模板，在DNA多聚酶或RNA多聚酶及其他必要因素作用下，合成子代病毒的核酸和蛋白質，裝配成完整病毒顆粒並釋放至細胞外。
病毒結構示意圖
病毒複製（replication）一般可分為吸附、穿入、脫殼、生物合成及裝配與釋放5個階段，稱為複製週期（replication cycle）。病毒經過複製產生大量的子代病毒，而此時，宿主細胞的生物合成則受到不同程度的抑制和破壞。
病毒複製示意
一、病毒複製週期
吸附（adsorption） 吸附於宿主細胞表面是病毒感染的第一步。吸附主要是通過病毒體表面的配體蛋白與易感細胞表面特異性受體相結合。不同細胞表面有不同受體，它決定了病毒的不同嗜組織性和感染宿主的範圍，如小RNA病毒衣殼蛋白特定序列能與人及靈長類動物細胞表面脂蛋白受體結合，而腺病毒衣殼觸鬚樣纖維能與細胞表面特異性蛋白相結合。
有包膜病毒多通過表面糖蛋白結構與細胞受體結合，如流感病毒HA糖蛋白與細胞表面受體唾液酸結合發生吸附；人類免疫缺陷病病毒（HIV）包膜糖蛋白gp120的受體是人Th細胞表面CD4分子；EB病毒則能與B細胞CD21受體結合。無受體細胞不能吸附病毒，也不能發生感染。細胞含受體數不盡相同，最敏感細胞可含10萬個受體。吸附過程可在幾分鐘到幾十分鐘內完成。
艾滋病病毒示意圖
穿入（penetration） 病毒與細胞表面結合後，可通過胞飲、融合、直接穿入等方式進入細胞。胞因類似吞噬泡，細胞內陷將病毒包進細胞漿內，無包膜病毒多以胞飲形式進入易感染動物細胞內。融合是指病毒包膜與細胞膜融合，包括病毒融合蛋白與細胞第二受體的作用，如HIV與CCR5的結合。融合後再將病毒的核衣殼釋放至細胞漿內。還有少數無包膜病毒在吸附時某些蛋白衣殼的多肽成分發生改變，從而可直接穿過細胞膜。
脫殼（uncoating） 病毒脫去蛋白衣殼後，核酸才能發揮作用。多數病毒穿入細胞後，在細胞溶酶體酶的作用下，脫去衣殼蛋白釋放病毒核酸。痘病毒脫殼過程複雜，分為兩步。先由溶酶體酶作用脫去外殼蛋白，再經病毒編碼產生的脫殼酶脫去內層衣殼，方能使核酸完全釋放出來。
生物合成（biosynthesis） 病毒脫殼後，進入生物合成階段，即病毒利用宿主細胞提供的環境和物質合成大量病毒核酸和結構蛋白。病毒核酸在細胞內複製的部位因核酸類型不同而不同。除痘病毒外，DNA病毒都在細胞核內複製；除正粘病毒和逆轉錄病毒外，RNA病毒均在細胞漿內複製。
生物合成一般分早期和晚期兩個階段。早期蛋白合成階段是病毒早期基因組在細胞內進行轉錄、翻譯而產生病毒生物合成中必需的酶類及某些抑制或阻斷細胞核酸和蛋白質合成的非結構蛋白，以利於病毒進一步複製、阻斷宿主細胞的正常代謝。晚期蛋白合成階段是根據病毒基因組指令，開始複製病毒核酸，並經過病毒晚期基因的轉錄、翻譯而產生病毒的結構蛋白。生物合成階段用電鏡方法在細胞內查不到完整病毒，用血清學方法也測不到病毒抗原，故被稱為隱蔽期。各病毒隱蔽期長短不一，如脊髓灰質炎病毒為3～4小時，而腺病毒為16～18小時。
根據病毒核酸類型不同、基因組轉錄mRNA 及合成蛋白方式不同，將病毒的生物合成過程分為6個類型，即雙鏈DNA病毒、單鏈DNA病毒、單正鏈RNA病毒、單負鏈RNA病毒、雙鏈RNA病毒及逆轉錄病毒。
病毒複製示意圖
以單純皰疹病毒為例：（1）病毒與細胞結合；（2）病毒進入細胞，去包膜；（3）脫殼；（4）病毒DNA進入細胞核；（5）病毒基因組複製，合成子代病毒及病毒mRNA；（6）以病毒基因轉錄的mRNA進入細胞質；（7）病毒mRNA翻譯病毒子代蛋白，包括早期蛋白和晚期蛋白；（8）裝配子代病毒；（9）出核，同時披上包膜；（10）釋放到胞外。
1．雙鏈DNA病毒 dsDNA病毒複製過程可分為早期和晚期兩個階段。早期階段是病毒利用宿主細胞核內的依賴DNA的RNA多聚酶，轉錄早期mRNA，再於胞漿內的核糖體翻譯出早期蛋白。早期蛋白主要是非結構蛋白，包括DNA多聚酶、脫氧胸腺嘧啶激酶及調控基因和抑制細胞代謝的多種酶類，用於子代DNA的複製。晚期階段包括子代DNA複製和晚期蛋白的合成。DNA複製為半保留複製形式，即在解鏈酶作用下親代DNA的雙鏈解開為正、負兩個單鏈；再分別以這兩條單鏈為模板，利用早期合成的DNA多聚酶，複製出子代DNA。然後以子代DNA分子為模板，轉錄晚期mRNA，繼而在胞漿核糖體內轉譯出病毒結構蛋白，主要為衣殼蛋白。
2．單鏈DNA病毒 ssDNA病毒種類很少，微小DNA病毒屬此類。該類病毒生物合成時，首先以親代DNA作模板，合成互補鏈，並與親代DNA鍊形成dsDNA，作為複製中間型（replicative intermediate，RI）。然後解鏈，以半保留形式進行復制，並以新合成互補鏈為模板複製出子代DNA，轉錄mRNA 並翻譯合成病毒蛋白質。
3．單正鏈RNA病毒 人和動物的RNA病毒多為單鏈RNA病毒，除正粘病毒外，絕大多數的生物合成在宿主細胞漿內。+ssRNA病毒如小RNA病毒、黃病毒和某些出血熱病毒等。+ssRNA本身具有mRNA功能，其RNA可直接附著於宿主細胞的核糖體上翻譯早期蛋白，首先全基因組翻譯出大分子多聚蛋白，在細胞或病毒編碼的蛋白酶作用下切割成為功能蛋白及結構蛋白，如RNA聚合酶。但風疹病毒、冠狀病毒等首先從5'端起始部分的RNA編碼非結構蛋白。+ssRNA在該酶作用下，轉錄出與親代互補的負鏈RNA，形成雙股RNA（±RNA），即複製中間型，其中以正鏈RNA為 mRNA翻譯病毒晚期蛋白，即衣殼蛋白及其他結構蛋白；以負鏈RNA為模板複製子代病毒RNA，進而再裝配與釋放（圖4-4）。
ssRNA病毒複製示意圖
以脊髓灰質炎為例：（1）病毒體與細胞受體結合；（2）脫殼；（3）RNA與核糖體連接；（4）合成多聚蛋白前體；（5）多聚蛋白裂解成P1（病毒結構蛋白）、P2和P3（蛋白酶、RNA聚合酶）；（6）P2、P3進入滑面內質網；（7）正鏈RNA轉運至滑面內質網；（8）合成負鏈RNA；（9）以負鏈RNA為模板合成子代正鏈RNA；（10）一些正鏈RNA進入翻譯系統；（11）P1前體部分裂解成結構蛋白；（12）子代病毒體形成；（13）細胞溶解釋放子代病毒。
4．單負鏈RNA病毒 大多數有包膜病毒屬於-ssRNA病毒，如流感病毒、狂犬病病毒等。因為這些病毒含有依賴RNA的RNA多聚酶，故能以病毒RNA為模板進行復制，但-ssRNA 卻不能直接做為mRNA 翻譯病毒蛋白質。在生物合成過程中，- ssRNA首先轉錄出互補正鏈RNA，形成複製中間體（±RNA），產生更多的正鏈RNA，以其中部分正鏈RNA為模板複製出子代負鏈RNA，部分正鏈RNA起mRNA作用，翻譯出病毒的結構蛋白和非結構蛋白。
5．雙鏈RNA病毒 病毒的雙鏈RNA在病毒自身依賴RNA多聚酶作用下轉錄出mRNA，然後再翻譯出早期蛋白或晚期蛋白。雙鏈RNA在複製時，必須先以其原負鏈為模板複製出正鏈RNA，再由正鏈RNA複製出新的負鏈，構成子代RNA。
逆轉錄病毒複製示意圖
以人類免疫缺陷病毒（HIV）為例：（1）病毒體與細胞受體（CD4）結合；（2）病毒進入細胞，去包膜；（3）脫衣殼；（4）以病毒基因組（RNA）為模板，由病毒逆轉錄酶作用逆轉錄合成cDNA，形成中間體；（5）以cDNA為模板合成雙鏈DNA；（6）雙鏈DNA進入細胞核；（7）整合到宿主細胞染色體，成為前病毒；（8）前病毒被激活，轉錄出子代RNA；（9）一部分子代RNA與核糖體結合，翻譯子代蛋白，另一部分直接裝配為子代病毒體；（10）翻譯子代結構蛋白和酶蛋白；（11）合成的酶蛋白參與逆轉錄；（12）子代病毒體形成；（13）子代病毒獲包膜並釋放。
6．逆轉錄病毒 人類免疫缺陷病毒（HIV）和人類T淋巴細胞白血病病毒（HTLV）是逆轉錄病毒（retrovirus）。此類病毒自身攜帶有逆轉錄酶，其基因組獨特，是由兩條相同的正鏈RNA構成，稱為單正鏈雙體RNA。其生物合成過程與其他單鏈RNA不同。首先以病毒RNA為模板，在逆轉錄酶的作用下合成cDNA，構成RNA：DNA中間體。中間體中的RNA鏈由RNA酶H水解，DNA鏈進入細胞核內，在DNA多聚酶作用下複製成雙鏈DNA。該雙鏈DNA則整合至宿主細胞的染色體DNA上，成為前病毒（provirus），並可隨宿主細胞的分裂存在於子代細胞內。前病毒在細胞核內逆轉錄出子代病毒RNA和mRNA。mRNA在胞漿核糖體上翻譯出子代病毒的結構蛋白和非結構蛋白。
乙肝病毒示意圖
裝配與釋放（assembly and release） 病毒核酸與蛋白質合成之後，在細胞漿內或細胞核內組裝為成熟病毒顆粒的過程是病毒的裝配。不同種類的病毒在細胞內裝配的部位也不同。除痘病毒外，DNA病毒均在細胞核內裝配；RNA病毒與痘病毒則在細胞漿內裝配。無包膜病毒先形成空心衣殼，病毒核酸從衣殼裂隙間進入殼內形成核衣殼，即裝配為成熟的病毒體。有包膜病毒在核衣殼外再加一層包膜，才能成為完整的病毒體。病毒包膜形成是在細胞膜系統（漿膜或核膜）特定部位，當病毒編碼的特異糖蛋白插入細胞膜時，裝配的核衣殼與此處細胞膜結合，則形成包膜。包膜的脂類來源於細胞，而包膜的蛋白質（包括糖蛋白）是由病毒基因組編碼，故具有病毒的特異性和抗原性。
成熟的病毒體以不同方式釋放於細胞外。無包膜病毒均以破胞方式釋放，即病毒裝配完成後，宿主細胞破裂而把病毒全部釋放到周圍環境中。有包膜的病毒，在裝配完成後，以出芽方式釋放到細胞外。通常細胞不死亡，仍能繼續分裂增殖。此外還有其他方式，如鉅細胞病毒，很少釋放到細胞外，而是通過細胞間橋或細胞融合在細胞之間傳播；某些腫瘤病毒，其基因組以整合方式隨細胞的分裂而出現在子代細胞中。
病毒複製週期的長短與病毒種類有關，如小RNA病毒為6～8小時，正粘病毒為15～30小時。每個細胞產生子代病毒的數量也因病毒和宿主細胞不同而異，多者可產生10萬個病毒。
二、與病毒增殖有關的異常現象
病毒在細胞內增殖是病毒與細胞相互作用的過程。病毒在細胞內大量複製的同時也影響細胞正常代謝，導致細胞損傷或死亡。但當細胞不提供病毒增殖所需要的條件和物質時，病毒也不能完成複製過程，這屬於病毒的異常增殖。病毒的異常增殖，主要包括頓挫感染和缺陷病毒。當兩病毒感染同一細胞時，會發生病毒間的影響而出現病毒干擾現象。
頓挫感染（abortive infection） 病毒進入宿主細胞後，如細胞不能為病毒增殖提供所需要的酶、能量及必要的成分，則病毒在其中不能合成本身的成分；或者雖能合成部分或全部病毒成分，但不能裝配和釋放，此感染過程被稱為頓挫感染。不能為病毒增殖提供條件的細胞，被稱為非容納細胞。能為病毒提供條件，可產生完整病毒的細胞被稱為容納細胞。
缺陷病毒（defective virus） 因病毒基因組不完整或基因發生改變而不能進行正常增殖所產生的子代病毒稱為缺陷病毒。當與其他病毒共同感染細胞時，若其他病毒能為缺陷病毒提供所需要的條件，缺陷病毒則又能完成正常增殖而產生完整的子代病毒，將這種有輔助作用的病毒稱為輔助病毒（helper virus）。腺病毒伴隨病毒（adeno-associated virus）就是一種缺陷病毒，用任何細胞培養都不能增殖，但當和腺病毒共同感染細胞時卻能產生成熟病毒。腺病毒就是輔助病毒。丁型肝炎病毒（hepatitis D virus，HDV）也是缺陷病毒，必須依賴於乙型肝炎病毒（HBV）才能複製。缺陷病毒雖然不能複製，但卻具有干擾同種成熟病毒體進入細胞的作用，又稱其為缺陷干擾顆粒（defective interfering particle，DIP）。DIP具有正常病毒的衣殼和包膜，只是內含缺損的基因組。DIP不僅能干擾非缺陷病毒的複製，還能影響細胞的生物合成。偽病毒（pseudovirion）是缺陷病毒的另一形式，它不含有病毒基因組，而是在病毒複製時，衣殼將宿主細胞DNA的某一片段包裝進去，用電鏡可以觀察到這種類病毒顆粒，但不能複製。
干擾現象（interference） 當兩種病毒感染同一細胞時，可發生一種病毒抑制另一種病毒增殖的現象，稱為病毒的干擾現象。干擾現象不僅可發生在不同種病毒之間，也可在同種不同型或不同株病毒之間發生。發生干擾的主要機制是：①一種病毒誘導細胞產生的干擾素（interferon，IFN）抑制另一種病毒的增殖；②病毒吸附時與宿主細胞表面受體結合而改變了宿主細胞代謝途徑，阻止了另一種病毒的吸附和穿入等複製過程；③DIP所引起的干擾。病毒之間干擾現象能夠阻止發病，也可以使感染中止，使宿主康復。但在預防病毒性疾病使用疫苗時，也應注意合理使用疫苗，避免由於干擾而影響疫苗的免疫效果。
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