溶液中的核酸分子在引力場中可以下沉。不同構象的核酸（線形，開環，超螺旋結構）、蛋白質及其他雜質在超離心機的強大引力場中，沉降的速率有很大差異，所以可以用超離心法純化核酸，或將不同構象的核酸進行分離，也可以測定核酸的沉降常數與分子量。

應用不同介質組成密度梯度進行超離心分離核酸時，效果較好。RNA分離常用蔗糖梯度。分離DNA時用得最多的是氯化銫梯度。氯化銫在水中有很大的溶解度。可以制成濃度很高（8mol／L）的溶液。

應用啡啶溴紅—氯化銫密度梯度平衡超離心，很容易將不同構象的DNA、RNA及蛋白質分開。這個方法是目前實驗室中純化質粒DNA時最常用的方法。如果應用垂直轉頭，當轉速為65 000r/min（Beckman L-70超離心機），只要6h即可以完成分離工作。但是如果采用角轉頭，轉速為45 000r/min時，則需36h。離心完畢后，離心管中各種成分的分布可以在紫外光照射下顯示得一清二楚。蛋白質漂浮在最上面，RNA沉淀在底部。超螺旋DNA沉降較快，開環及線形DNA沉降較慢。用注射針頭從離心管側面在超螺旋DNA區帶部位刺入，收集這一區帶的DNA。用異戊醇抽提收集到的DNA以除去染料，然后透析除CsCl，再用苯酚抽提1~2次，即可用乙醇將DNA沉淀出來。這樣得到的DNA有很高的純度， 可供DNA重組、測定序列及繪制限制酶圖譜等。在少數情況下，需要特別純的DNA時，可以將此DNA樣品再進行一次氯化銫密度梯度超離心分離。