La fertilización por microinyección es una importante innovación surgida en los últimos años, que finalmente ofrece un tratamiento viable incluso en los casos más difíciles de infertilidad masculina. Anteriormente la única opción que podían ofrecer los médicos era la adopción o la inseminación proveniente de donantes. Ahora, las nuevas técnicas de microinyección como el ICSI ofrecen una verdadera solución terapéutica. En el procedimiento del ICSI se utilizan los más potentes microscopios e instrumentos de "manipulación microscópica"; los embriólogos, por ejemplo, pueden sostener un solo huevo humano en la punta de una pipeta de succión fina y penetrarlo con una aguja siete o más veces más delgada que el diámetro de un cabello. Mediante la aguja se introduce un solo espermatozoide en el citoplasma del óvulo.

En la mayoría de los casos (60-70%) el espermatozoide logra fertilizar el óvulo que tres días después puede transferirse al útero como un embrión.

En la concepción normal, una sola eyaculación de semen puede contener más de 200 millones de espermatozoides viables, sin embargo, sólo algunos cientos de ellos llegarán a la trompa de Falopio en dónde está el óvulo liberado y tendrán oportunidad de fertilizarlo. Antes se pensaba que era imposible tratar a los hombres que presentaban un conteo muy bajo de espermatozoides; actualmente, el ICSI permite la fertilización con un solo espermatozoide.

Actualmente estas microtécnicas se han desarrollado para tratar la infertilidad no sólo en los hombres que producen espermios de mala calidad, sino en los pacientes con ausencia total de producción de espermios debido a un bloqueo o a algún otro trastorno testicular (o vasectomía). Existen dos técnicas, la aspiración microepididimaria de espermios (MESA) y la extracción testicular de espermios (TESE), que actualmente se utilizan con regularidad para retirar los espermatozoides del epidídimo (situado en la parte superior de los testículos) o de una biopsia de tejido testicular. Los espermatozoides obtenidos se utilizan para fertilizar el óvulo mediante el ICSI. Se han obtenido resultados muy alentadores con estas técnicas, lo que sugiere que los hombres que por distintas causas no pueden eyacular o cuyos testículos no producen espermios ahora pueden proporcionar los espermios necesario para fertilizar los óvulos de su pareja.

Las parejas infértiles que participan en los programas terapéuticos del ICSI generalmente son seleccionadas cuidadosamente (por ejemplo, casos de defectos severos en los espermios) y a menudo tienen antecedentes de fracaso de la FIV. La mujer debe someterse al procedimiento rutinario de estimulación ovárica y recolección de óvulos, mientras que el hombre debe proporcionar una muestra de espermios (a menos que están indicadas las técnicas de MESA o TESE).