تکه ها و نمونه هایی که از اندامها برداشت شده اند معمولا در فرمالین قرار می گیرند (فرم آلدهید رقیق شده)، که بافت را بوسیله اتصال عرضی پروتئینها تثبیت می کند. این عمل از ساختار سلولی محافظت کرده و همچنین اجازه زنده ماندن به بافت را طی فرآیندهای بعدی می دهد. دیگر انواع مواد تثبیت کننده ای که ممکن است استفاده شوند به نوع نمونه یا خصوصیات سلولی که نیاز به حفاظت دارند، بستگی دارند.

در آماده سازی برای قالبگیری در بلوک های پارافینی (موم)، بافت تحت مراحل شیمیایی مختلفی (آبگیری و انحلال چربی) قرار می گیرد. بلوکهای پارافینی روی دستگاه ویژه ای که از چاقوی بسیار تیزی (میکروتوم) برای برش قطعات بسیار نازکی از بافت با ضخامت در حدود 5 میکرومتر (یا حدود 0/0002 اینچ) استفاده می کند، قرار می گیرند. نمونه های نازک روی لام های شیشه ای قرار می گیرند و با معرفهای ویژه ای مورد رنگ آمیزی قرار گرفته تا جنبه های کلیدی بافت ها مشخص گردند.

هماتوکسیلین و ائوزین که با عنوان H&E نیز شناخته می شوند، رنگهای دارای بیشترین استفاده می باشند. این ترکیبی از یک رنگ قلیایی (هماتوکسیلین) و یک رنگ اسیدی (ائوزین) است. این با اجزای سلولی اسیدی و قلیایی روی اسلاید برای بخشیدن به ترتیب رنگهای ارغوانی و صورتی به بافت واکنش می دهد.

 هنگامیکه زمان حیاتی است (برای مثال، زمانیکه جراح به پاسخی در حین انجام جراحی نیاز دارد) آسیب شناس فرآیند تثبیت و قالبگیری در پارافین را دور زده و مقاطع بافتی منجمد را انجام می دهد. بافت توسط مایع پلی اتیلن گلیکول احاطه شده و نمونه روی بلوک فلزی سردی داخل وسیله یخچال مانندی بنام سرماپای (Cryostat) قرار می گیرد. به محض اینکه مایع منجمد شد، تکنسین آزمایشگاه با استفاده از میکروتوم، برش (مقطع) نازکی به بلوک می زند. برش نازک روی لام شیشه ای قرار گرفته، رنگ آمیزی و آزمایش می شود. این پروسه معمولا 10 الی 20 دقیقه بطول می انجامد. هرچند، یخ زدگی بافت ممکن است منجر به برخی اعوجاج های سلولی و رنگ آمیزی های غیر واقعی (آرتی فکت) گردد. به همین دلیل است که مقاطع منجمد اغلب مقدماتی هستند، و تشخیص نهایی مبتنی بر عملیات بافتی روتین که در بالا گفته شد می باشد.

برخی اوقات ایمپرینت اسمیر ("تاچ پرپ") از طریق فشردن برش بافتی روی لام شیشه ای می تواند به جلوگیری از آرتی فکت های انجماد و کاهش زمان مورد نیاز جهت تشخیص کمک نماید.
 

آسیب شناسان از انواعی از رنگهای اختصاصی علاوه بر رنگهای روتین هماتوکسیلین و ائوزین (H&E) استفاده می کنند. این رنگها ممکن است سبب مشخص شدن چربی، رشته های بافتی مختلف، مخاط، میکروبهایی مثل باکتری ها یا قارچها، پروتئینها یا دیگر مواد بیوشیمیایی گردند که ممکن است در تشخیص عناصر کلیدی که مشخصه بیماریهای خاص هستند سودمند باشند.

رنگهای اختصاصی می توانند اطلاعات مفیدی را فراهم نمایند اما توانایی آنها در فراهم کردن یک پاسخ قطعی قدری محدود است در حالیکه رنگهای ایمنوهیستوشیمی در آنچه که رنگ آمیزی می کنند اختصاصی تر هستند. این تکنیک از مزیت ویژگی های منحصر آنتی بادیهایی که برای تشخیص ترکیبات خاص برون یا درون سلولی طراحی شده اند استفاده می کنند. آنتی بادیها به مارکرهای خاصی متصل بوده که زیر میکروسکوپ به راحتی قابل مشاهده می باشند. این تکنیک به آسیب شناس اجازه می دهد که آن آنتی بادیهایی را که جهت شناسایی عناصر کلیدی سلولی یا انواع بافت مرتبط با بیماریهای خاص، طراحی شده اند را انتخاب کرده و در نتیجه گیری برای یک تشخیص نهایی یاری می نمایند.

برخی شرایط پزشکی به استفاده از بزرگنمایی بالاتری نسبت به آنچه که میکروسکوپهای نوری استاندارد فراهم می کنند نیاز دارند. برای مثال انواع بیماریهای کلیوی (گلومرولونفریت)، بیماریهای ریوی (آزبستوزیس) یا سرطانهای مهاجم که پروتئینهای طبیعی خود را از دست می دهند. در این موارد نوعی از میکروسکوپ بسیار قوی با عنوان میکروسکوپ الکترونی ممکن است استفاده گردد. میکروسکوپ الکترونی از ولتاژ بالا برای ایجاد پرتوهای الکترونی گسترده استفاده می کند که به سمت نمونه رنگ آمیزی شده خاص هدایت می شوند. این الکترونها جذب یا پراکنده می شوند، که تصویر سیاه و سفیدی را ایجاد می کنند. این کار باعث بزرگنمایی بیش از 2 میلیون مرتبه می شود در حالیکه حداکثر قدرت میکروسکوپهای نوری مرسوم تنها یک تا دو هزار برابر است.

پیشرفتهای اخیر به آسیب شناسان اجازه استفاده از بافتهای قالبگیری شده در پارافین و تثبیت شده در فرمالین (FFPE) را در بسیاری از روش های نوآورانه داده اند. نواحی خاصی از بافت می توانند برداشته شوند (بوسیله تشریح میکروسکوپی) و ترکیبات شیمیایی توسط طیف سنجی جرمی یا سایر تکنیک ها مورد سنجش قرار می گیرند.

اغلب آزمایش ژنتیک که شامل مطالعه کروموزوم ها و DNA آنها است، در آزمایشگاههای آسیب شناسی بالینی انجام می گیرد، اما گاها در آزمایشگاه های آسیب شناسی آناتومیک نیز مورد بررسی قرار می گیرد، زمانیکه نمونه های بافتی استفاده می شوند. این روش می تواند ابزار ارزشمندی باشد از آنجائیکه بیماریهای خاصی ممکن است توسط ناهنجاریهای ژنتیکی ایجاد شده باشند.

برای مثال، قسمت هایی از کروموزوم ممکن است دچار جابجا شدگی (translocation) شده یا مفقود (حذف) شوند. اینگونه جابجا شدگیها و حذف شدگیهای کروموزومی را می توان با استفاده از هیبریدیزاسیون فلورسانت درجا (FISH) شناسایی نمود. از DNA و RNA جداشده از بافتهای FFPE نیز می توان جهت تشخیص جهش های ژنتیکی خاص استفاده کرد یا برای ناهنجاری ها غربالگری نمود.

به دلیل اینکه DNA و RNA استخراج شده از بافتهای FFPE بر اثر فرآیند آماده سازی بافت (تثبیت فرمالین) و نگهداری حفاظت نشده، قطعه قطعه می شوند آنالیز جهش به طور فزاینده ای با استفاده از تکنیکهای به اصطلاح توالی یابی "نسل بعدی " انجام می شود که در آنها میلیونها واکنش بصورت همزمان بر روی قطعات کوتاهی از DNA انجام شده و با انجام الگوریتم های کامپیوتری برای تعیین ژنوم دنبال می شوند.

اکثر این تکنیکهای مولکولی برای شناسایی جهش هایی استفاده می شوند که  به هدایت درمان تومورهای بدخیم کمک می کنند از قبیل:

• HER2 - سرطان پستان
• EGFR - آدنوکارسینوم ریه
•  KRAS - سرطان روده بزرگ
• BRCA 1 & 2 - سرطان پستان و سرطان تخمدان
• BRAF - انواع ملانوما
• JAK2 - نئوپلاسم های بیش تکثیری مغز استخوان

برای تعاریف کلی درباره این آزمایشات، مقاله تست های ژنتیک برای درمان هدفمند سرطان را ببینید.

تجزیه و تحلیل سلولهایی است که از سطح بدن جدا می شوند. آزمایش پاپ اسمیر دهانه رحم معمول ترین ترین مثال از این نوع است اما نمونه هایی از مثانه، حفره شکمی ، قفسه سینه، مایع مغزی نخاعی و شستشوی ریه ها نیز مکرراً مورد آزمایش قرار می گیرند.

مایعاتی که حاوی بسیاری از سلول های واحد می باشند (مایع جنب اطراف ریه ها) یا تکه های بسیار کوچک بافت می توانند بوسیله آسپیراسیون با سوزن ظریف (FNA) بدست بیایند. این کار با استفاده از سوزن نازکتری نسبت به سوزن های بیوبسی سوزنی بوده اما با تکنینکی مشابه انجام می گیرد. این نوع از مواد معمولا مایع یا توده های سلولی شل نسبت به بافتهای سفت است. FNA بخصوص در ارزیابی وجود انواع طبیعی یا غیر طبیعی سلولها سودمند می باشد.

سنجش سلولها از یک توده یا اندام بزرگ فرآینداندکی  پیچیده تری است و ممکن است شامل استفاده از تصویر برداری ( مثل سونوگرافی یا سی تی اسکن) جهت اطمینان از اینکه از منطقه مشکوک نمونه برداری شده است، باشد. در حالیکه یک FNA ساده عموما شامل یک توده یا کیست قابل لمس و دیدن است، FNA های پیچیده شامل نمونه برداری از بافتهای داخلی بدن می باشد. تصویر برداری کمکی ممکن است برای اطمینان از محل صحیح ورود سوزن و بدست آوردن نمونه دقیق لازم باشد.

بسیاری از پزشکان آسپیراسیون با سوزن ظریف (FNA) را انجام می دهند اما یک آسیب شناس یا تکنسین آسیب شناسی سلولی معمولاً و سریعاً ماده به دست آمده را برای تعیین اینکه آیا نمونه برای تشخیص لازم است و برای رتبه بندی ماده برای مطالعات بعدی، مورد بررسی قرار می دهد. بعلت اینکه بیحسی موضعی مورد استفاده قرار می گیرد، میتوان از عوارض جراحی اجتناب کرد و تشخیص معمولاً با هزینه پائین تر و به سرعت صورت می گیرد.

سلول های به دست آمده از مایعات یا بافت ها می توانند براحتی با استفاده از فلوسیتومتری، تکنیکی که در تشخیص سرطان های سلول های خونی (لوسمی و لمفوم) بکار گرفته می شود، تحلیل شوند. سلول ها از داخل یک پرتوی لیزر (پرتوی نوری با طول موج تک فرکانس) عبور داده می شوند. یک آشکارساز میزان پراکندگی نور را برای تعیین اندازه ساحتاهای داخلی سلول ها اندازه گیری می کند در حالیکه دیگری آنتی بادی هایی را که به سلول ها اضافه شده اند (نشاندار شده با رنگ های اختصاصی) به جهت تعیین اینکه کدام پروتئین ها بر سطح سلول ها موجود می باشند، شناسایی می کند.