Elle peut être réalisée à l'aide d'un bistouri ou d'une pince, ou pratiquée par aspiration avec une aiguille ou un trocart. Dans certains cas, elle est effectuée au cours d'un examen endoscopique, notamment pendant l'exploration d'un organe creux comme le poumon, le tube digestif ou la vessie. Des méthodes de guidage, échographie ou scanner, permettent au médecin d'atteindre un organe profond (foie, par exemple) en minimisant les risques hémorragiques liés à cet examen invasif (rupture d'un vaisseau au passage de la sonde de prélèvement). Dans tous les cas, le geste doit être effectué dans des conditions rigoureuses d'asepsie. Si le prélèvement est réalisé au cours d'une intervention chirurgicale (exérèse d'une tumeur, par exemple), la pièce peut être immédiatement analysée et les résultats de l'examen déterminent alors la façon dont est poursuivie l'opération.

La biopsie médullaire est un prélèvement de moelle osseuse, généralement réalisé au niveau du bassin ou du sternum. Au sens strict, une prise de sang est également une biopsie mais une biopsie de tissu liquide. La ponction lombaire est un prélèvement de liquide céphalo-rachidien au niveau de la colonne vertébrale.