Дослідження полягає у макроскопічній оцінці нефіксованого матеріалу та у мікроскопічному аналізі заморожених і забарвлених зрізів. Також можна зробити цитологічні мазки-відбитки, які мають перевагу над передопераційною ТАПБ завдяки точному відбору матеріалу з конкретної вогнищевої зміни. З вибраних ділянок залози також можна взяти матеріал для молекулярних досліджень
Важливим недоліком інтраопераційного дослідження є ризик механічної деформації незафіксованого матеріалу — розриву сполучнотканинної капсули або потрапляння клітин чи дрібних фрагментів пухлини в судини, що може стати причиною діагностичної помилки. Тому рішення про необхідність виконання інтраопераційного дослідження має прийматися індивідуально у кожному випадку.
Інтраопераційне дослідження дозволяє діагностувати непухлинний зоб, папілярний рак, медулярний рак і анапластичний рак. Якщо діагноз «підозра на фолікулярну неоплазію» встановлено на підставі ТАПБ, то інтраопераційне дослідження не рекомендується — не дозволяє однозначно диференціювати рак та фолікулярну аденому, а також несе ризик пошкодження пухлинної капсули. Вирішальне значення має післяопераційне гістологічне дослідження. Диференціація лімфом з недиференційованими та медулярними раками щитоподібної залози потребує імуногістохімічних досліджень, так само, як і діагностика метастазів (наприклад, світлоклітинного раку нирки).
Остаточний діагноз завжди базується на післяопераційному гістологічному дослідженні, результат якого визначає подальше лікування.