Найчастіше застосовуване молекулярне цитогенетичне дослідження — це флюоресцентна гібридизація in situ (fluorescence in situ hybridisation — FISH), яке доповнює цитогенетичне дослідження методом диференційованого зафарбування хромосом при діагностиці захворювання, а під час його перебігу може бути використане для моніторингу виявлених раніше генетичних змін, методом диференційованого зафарбування хромосом або FISH. У рутинно використовуваній базовій версії FISH є цільовим дослідженням, тобто дозволяє оцінити наявність лише конкретно визначену аберацію чи реаранжування, або 2–3 такі зміни. В онкогематології, в основному, використовується для ідентифікації генних реаранжацій, поєднаних змін каріотипу або прихованих аберацій, які неможливо виявити методом диференційованого зафарбування хромосом, а також у випадках, коли клітинна селекція (обов’язкова для дослідження методом диференційованого зафарбування хромосом) не вдається. FISH охоплює увесь життєвий цикл клітини — як клітини у стадії метафази (FISH метафазних хромосом), так і інтерфази (FISH інтерфазних клітин), завдяки чому можна її застосовувати для аналізу мазків кісткового мозку, цитологічних препаратів (напр. з тонкоголкової біопсії), а також зрізів тканин (напр. лімфатичного вузла). Аналіз звичайно охоплює 200–500 клітин, отже є можливим точне визначення відсотка клітин з даною генетичною зміною, що є важливим для оцінки ефективності лікування або оцінки хімеризму (співіснування клітин донора та реципієнта) після алогенної трансплантації гемопоетичних стовбурових клітин (алоТГСК, розд. VI.L). Результат дослідження конкретного химерного гену методом FISH є об’єктивним і незалежним від виду злиття (напр. у випадку химерного гену BCR-ABL1 результат дослідження FISH з зондами для генів BCR i ABL1 є завжди позитивним, незалежно від його величини, а також місць поломок та з’єднання генів).
Існують також нецільові методи, які дозволяють диференційовано зафарбувати всі пари хромосом, напр., multi-FISH або SKY (spectral karyotyping), однак з огляду на великі витрати вони не використовуються в рутинній діагностиці.