يتم إجراء تحاليل الدم عادةً عن طريق سحب عينة صغيرة من الدم، غالباً من وريد في الذراع باستخدام إبرة معقمة (بزل الوريد)، أو أحياناً عن طريق وخزة في الإصبع (لتحاليل معينة مثل مستوى السكر). يتم جمع الدم في أنابيب اختبار خاصة تحتوي على مواد حافظة مختلفة حسب نوع التحليل المطلوب. ترسل العينات بعد ذلك إلى المختبر لتحليلها باستخدام معدات وتقنيات متخصصة. يمكن لتحاليل الدم قياس عدد وأنواع خلايا الدم (مثل تعداد الدم الكامل - CBC)، وتقييم وظائف الأعضاء (مثل اختبارات وظائف الكلى والكبد)، والكشف عن علامات الالتهاب أو العدوى (مثل البروتين التفاعلي C - CRP)، وقياس مستويات الهرمونات، وتقييم عوامل تخثر الدم، والبحث عن علامات لأمراض معينة مثل السكري، أمراض القلب، أو بعض أنواع السرطان. قد يُطلب من المريض الصيام لعدة ساعات قبل بعض تحاليل الدم لضمان دقة النتائج، خاصة تلك التي تقيس مستويات السكر أو الدهون.