W wypadku gorszych wyników badań nasienia (np. nieprawidłowa liczba, budowa i ruchliwość plemników) wykonuje się zapłodnienie metodą ICSI (intracytoplasmic sperm injection, docytoplazmatyczne podanie plemnika), polegającą na wprowadzeniu do komórki jajowej pojedynczego plemnika przy użyciu specjalnych igieł, mikromanipulatorów i mikroskopu. Obecnie oprócz metody ICSI stosuje się również nową metodę IMSI (intracytoplasmic morphologically selected sperm injection, docytoplazmatyczne podanie wyselekcjonowanych morfologicznie plemników), polegającą na selekcji komórek plemnikowych przed przystąpieniem do procedury zapłodnienia in vitro. Technika ta opracowana została przez izraelską klinikę Meir Hospital pod kierownictwem prof. Bartoov, i polega na wykorzystaniu do selekcji plemników mikroskopu optycznego z cyfrowym torem obrazowym, pozwalającego oglądać plemniki na ekranie monitora w powiększeniu rzędu 6000 razy (zwykle stosuje się powiększenie około 400 razy). W Polsce metodę wdrożyli Krzysztof Grettka i Mariusz Kiecka.
Po zapłodnieniu zygoty umieszcza się w specjalnym inkubatorze, zapewniającym warunki do rozwoju zarodka.