Η θεραπεία της εξωσωματικής γονιμοποίησης βασίζεται στη λήψη ωαρίων από τις ωοθήκες της γυναίκας και τη γονιμοποίησή τους με τα σπερματοζωάρια του άντρα στο εργαστήριο από εξειδικευμένο εμβρυολογικό προσωπικό.

Για να παραχθούν περισσότερα ωάρια από το ένα μόνο ωάριο που παράγεται φυσιολογικά σε κάθε κύκλο της γυναίκας δίνεται ειδική ορμονική φαρμακευτική αγωγή στη γυναίκα που διεγείρει τις ωοθήκες της για να παράγουν κατά μέσο όρο 6-8 ωάρια. Κατά διάρκεια της φαρμακευτικής θεραπείας η γυναίκα παρακολουθείται με υπερηχογραφήματα για να εκτιμηθεί ο χρόνος στον οποίο τα ωάρια είναι ώριμα και έτοιμα για γονιμοποίηση. Ο μέσος χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση της προετοιμασίας των ωαρίων για λήψη είναι 12-14 μέρες θεραπείας. 
Η λήψη των ωαρίων γίνεται διακολπικά, με ήπια νάρκωση, διαρκεί λίγα λεπτά και η γονιμοποίησή τους ξεκινά λίγες ώρες αργότερα μετά την επεξεργασία και τον εμπλουτισμό του σπέρματος. Μετά από 24 ώρες περίπου ο εμβρυολόγος παρατηρεί στο μικροσκόπιο πόσα ωάρια γονιμοποιήθηκαν φυσιολογικά και επανεξετάζει την επόμενη μέρα πόσα από τα γονιμοποιημένα ωάρια αρχίζουν να διαιρούνται φυσιολογικά. Απ’ αυτά, τα φυσιολογικά γονιμοποιημένα και διαιρεμένα έμβρυα, επιλέγονται ένα έως δύο, τα οποία μεταφέρονται μέσα στη μήτρα, δύο ή τρεις ημέρες μετά τη λήψη των ωαρίων. Η τοποθέτηση των εμβρύων είναι μία σύντομη διαδικασία για την οποία δεν απαιτείται νάρκωση και γίνεται με την καθοδήγηση υπερήχων για να επιβεβαιωθεί ακριβώς το σημείο της τοποθέτησής τους στη μήτρα της γυναίκας. Μετά την πάροδο 2 εβδομάδων γίνεται τεστ κύησης με αιματολογική εξέταση. Στη διάρκεια της θεραπείας για τη προετοιμασία των ωαρίων και τη λήψη τους η γυναίκα μπορεί να εξακολουθεί να εργάζεται φυσιολογικά, ενώ μετά την τοποποθέτηση των εμβρύων συνιστάται, η γυναίκα να ξεκουράζεται τις πρώτες μέρες και να αποφεύγει έντονη σωματική δραστηριότητα ώστε να μεγιστοποιήσει τις δυνατότητες σύλληψης.