Amostras de sangue podem ser coletadas em veias, artérias ou capilares.

A coleta venosa é mais frequente e pode ser realizada em quaisquer dos braços. O paciente pode estar deitado, sentado ou em pé. É importante apenas que o braço esteja estendido em linha reta dos ombros ao punho. A limpeza local deve ser realizada de dentro para fora, sem pressão e em movimentos circulares, e o excesso do líquido utilizado na limpeza deve ser retirado com um algodão seco e estéril.

Um manguito ou torniquete deve ser aplicado de 10 a 15 cm acima do cotovelo. O interrompimento do fluxo venoso não deve ser prolongado, no máximo 1 minuto, sob risco de alterar a composição do material coletado. O primeiro sangue coletado deve ser destinado à análise de analitos sensíveis, como o cálcio, já que esta amostra é mais fidedigna ao sangue circulante. O ato de bombear o punho antes da punção venosa deve ser evitado, pois altera a composição do sangue coletado. 

Logo que o sangue começar a fluir para dentro do tubo a vácuo, o torniquete deve ser afrouxado sem, contudo, mover a agulha. É estritamente importante que o tubo seja corretamente preenchido, ou seja, a coleta termina apenas quando o vácuo do tubo terminar. Coletas alteradas ou curtas podem ser fonte de erro pré-analítico porque afetam de forma significativa os resultados dos testes.