در نمونه برداری، یک پزشک یک نمونه کوچک از بافت یا مایع را از بدن حذف می کند. یک آسیب شناس در زیر میکروسکوپ برای دیدن سلول های سرطانی بررسی می کند. اگر سلول های سرطانی یافت شود بیوپسی می تواند به تعیین اینکه آیا سرطان در محل نمونه آغاز شده و یا در جایی دیگر از بدن آغاز شده و به محل بیوپسی گسترش یافته است کمک کند.
برخی از نمونه ها تحت هدایت تصویر، مانند سونوگرافی، توموگرافی کامپیوتری ( CT ) یا تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (  MRI) انجام می شود. این اجازه می دهد تا پزشک بتواند سلول ها را از قسمت عمیق تر در داخل بدن جمع آوری کند. بسته به نوع نمونه برداری یک بی حس کننده برای به حداقل رساندن درد تزریق می شود.
در مقایسه با دیگر تست های تشخیصی برای سرطان، نمونه اغلب تشخیص قطعی تری ارائه می دهد.