Narzędzia badawcze ukierunkowane są na zbadanie umiejętności praktycznego kojarzenia i wykorzystania wiedzy i umiejętności z różnych dziedzin. Założeniu temu towarzyszy odwołanie do idei „kształcenia ustawicznego” – motywacji i postaw sprzyjających samodzielności w zdobywaniu dalszej wiedzy. Stąd treść zadań jest w możliwie dużym stopniu osadzona w codziennych sytuacjach życiowych. Testy PISA różnią się więc od typowych zadań szkolnych związanych z konkretnymi programami nauczania.
W badaniu PISA wyróżniono trzy podstawowe dziedziny: czytanie i interpretacja (), matematyka () i rozumowanie w naukach przyrodniczych (). Badanie realizowane jest regularnie co trzy lata, począwszy od 2000 r. W każdym z kolejnych badań szczególny nacisk jest położony na zbadanie jednej dziedziny: w 2000 roku było to czytanie ze zrozumieniem, 2003 – matematyka, w 2006 – rozumowanie w naukach przyrodniczych. W 2003 roku badano dodatkowo umiejętność rozwiązywania problemów ().
Metodologia Każdy z uczniów biorących udział w badaniu wypełnia zeszyt testowy zawierający zadania z pytaniami. Następnie uczniowie wypełniają kwestionariusz. Osobny kwestionariusz jest wypełniany przez dyrektora szkoły i (od 2003 roku, w większości krajów) rodziców ucznia.