این عمل هم جنبه تشخیصی برای ارزیابی علت مشاهده نشدن اسپرم در مایع منی دارد و هم در صورتی که در بررسی اولیه اسپرم مشاهده شد، می توان آن را فریز و منجمد نمود و برای روش کمک باروری میکرواینجکشن (ICSI) استفاده نمود. این عمل جراحی با یک برش حدود 1 سانتی متر روی پوست کیسه بیضه و سپس برش روی سطح بیضه انجام می شود و می توان آن را با بی حسی موضعی یا بیهوشی عمومی انجام داد.
در صورتی که نمونه برداری اولیه منفی باشد و اسپرم مشاهده نشده باشد یا سایز بیضه ها بسیار کوچک باشد، باید از عمل جراحی نمونه برداری بیضه با میکروسکوپ یا میکروتسه (MicroTESE) کمک گرفت، که در این روش با برش بزرگتر روی پوست و سطح بیضه و با بزرگنمایی میکروسکوپیک از نقاط با نمای مناسب تر بافت بیضه که احتمال بیشتری برای وجود اسپرم در آن ها مطرح است، نمونه برداری انجام می شود.
در این عمل نیز در صورتی که در بررسی اولیه اسپرم مشاهده شد می توان آن را فریز نمود و برای روش کمک باروری میکرواینجکشن (ICSI) استفاده نمود.