Разрезают мошонку на протяжении 1 см, высвобождают яичко, надрезают белковую оболочку и обрезают часть выпятившейся ткани, которую помещают в фиксирующую жидкость и окрашивают гематоксилин-эозином. В здоровом яичке преобладают активные трубочки с тонкой собственной мембраной, выстланные четырьмя слоями герминативного эпителия. Неактивные трубочки в норме встречаются разбросанно и в небольшом количестве. Основное место в активных трубочках занимают большие сперматоциты и в меньшей степени сперматогонии и клетки Сертоли. На поперечном разрезе трубочки отмечается не более 20—50 сперматозоидов.
При бесплодии отмечается отсутствие нормальной дифференциации клеток, атипическая эксфолиация (со слущиванием ранних форм клеток), ненормальные формы клеток или утолщение фиброзной оболочки. При бесплодии может также отмечаться большее количество интерстициальных клеток Лейдига.
При синдроме Аргонза-дель Кастильо в связи с аномалией развития отсутствуют эпителиальные элементы, а нормальные по величине трубочки состоят исключительно из клеток Сертоли. Интерстициальные клетки нормальны.
При синдроме Клайнфелтера отмечается гиалинизация трубочек, перитубулярный фиброз и нормальные клетки Лейдига и Сертоли. Заболевание сопровождается повышением уровня фолликулостимулирующего гормона.
Биопсия щитовидной железы приводит к обнаружению раковых или аденоматозных клеток в случае развития опухолевого процесса.