Des fragments de tissu de petite ou grande taille, appelés « biopsies », sont prélevés et analysés par des spécialistes au laboratoire ou par le médecin généraliste.

Les cellules et les tissus sont découpés ou étalés de manière à former un film très fin et être ainsi perméables à la lumière. Après coloration, les différents composants des tissus et des cellules deviennent alors facilement détectables.

L'analyse des suspensions cellulaires et des liquides organiques ou « cytologies » a notamment pour objectif de confirmer ou parfois d'aider à déterminer la nature exacte du processus pathologique. Cela peut se faire par ponction cytologique à l'aiguille fine, une technique qui n'entraîne qu'une gêne minime et ne nécessite pas d'anesthésie, mais qui ne permet que l'analyse de cellules et de groupes de cellules.

Outre les cytologies par ponction à l'aiguille fine, les fluides corporels peuvent également être analysés, principalement pour détecter la présence de cellules tumorales et déterminer ainsi la présence ou l'étendue d'une tumeur.

Les frottis cervicaux constituent également une part importante des cytologies. Ils permettent de détecter les stades précancéreux des tumeurs malignes. L'objectif est de pouvoir traiter les patientes avant l'apparition de la tumeur invasive dangereuse. En cas d'échantillons anormaux, un test de biologie moléculaire supplémentaire peut être réalisé afin de détecter le papillomavirus humain, qui est à l'origine de la grande majorité des anomalies cellulaires observées et des tumeurs malignes dans cette région du corps.

Une technique un peu plus invasive consiste à effectuer de petites biopsies qui révèlent clairement non seulement le type de cellule, mais aussi la relation tissulaire, ce qui permet un diagnostic plus spécifique. Une attention particulière est accordée à la nature bénigne ou maligne des processus pathologiques. Bien que celle-ci puisse généralement déjà être déterminée dans les suspensions cellulaires, une biopsie permet de mieux en révéler la nature exacte.

Les grandes résections pratiquées lors d'interventions chirurgicales peuvent également être analysées. Une macroscopie, ou examen à l'œil nu, est d’abord réalisée et permet de déterminer et de décrire les dimensions correctes et les relations entre les processus pathologiques en présence. Ensuite, des prélèvements représentatifs sont effectués en vue d'un examen microscopique. 

En cas de tumeur, l'étendue de celle-ci et ses modes de dissémination aux ganglions lymphatiques et éventuellement d'autres métastases sont prioritaires, car ils sont importants pour l'évolution à prévoir de la maladie et pour le traitement complémentaire éventuel. Il est également vérifié si la tumeur a été complètement enlevée.

Des colorations histochimiques et immunohistochimiques complémentaires sont également effectuées afin de déterminer certaines caractéristiques de la cellule et du noyau spécifiques à certains groupes et types de tumeurs et de confirmer ces dernières avec plus de certitude.

Détection de certaines anomalies dans le génome de la tumeur, qui la rendent plus sensible et plus éligible à certains médicaments. Cette analyse de biologie moléculaire n'est pas effectuée par le laboratoire, mais est confiée à des laboratoires universitaires. Cependant, l'évaluation immunohistochimique préalable de la possibilité de la présence de cette anomalie génétique est réalisée par le laboratoire, de sorte que l’analyse de biologie moléculaire coûteuse ne doit être appliquée qu’à une sélection des échantillons.

Les autopsies médicales sont également traitées par ce laboratoire. Bien qu’elles soient l’aspect des laboratoires d'anatomopathologie le plus véhiculé par les médias, ces autopsies ne représentent qu'une infime partie du chiffre d'affaires. Leur but est uniquement de détecter les problèmes médicaux liés à la cause du décès, afin que le médecin demandeur puisse en tirer des enseignements pour le traitement de futurs patients atteints d’une pathologie similaire.

Les problèmes judiciaires liés à l'élucidation des crimes doivent être traités par un médecin légiste et ne relèvent donc pas des activités du laboratoire d'anatomie pathologique.