移植に先立って、患者の造血組織および腫瘍化した細胞を根絶するため、致死量を超える大量の抗がん剤投与および放射線照射が行われる。
これを前処置といい、患者の造血機能を完全に破壊する為、その後必ず移植を行わないと患者は死亡してしまう。
その上で、ドナーの骨髄液（造血幹細胞）を静脈から注入する。
移植による血液型の変化.
ABO式血液型が異なるドナーから骨髄移植を受けた場合、移植された造血幹細胞が血液を造り出すようになるため、最終的にはドナーと同じABO式血液型になる。また、血液細胞の染色体、DNAもドナー由来のものに変わる。これは、骨髄移植で重要となる白血球の血液型「HLA型」と赤血球の血液型である「ABO式」には関係性がなく、移植にABO式血液型の一致は（必ずしも）必要ないために起きる。
後遺症とその課題.
移植の前処置で致死量を超える大量の抗ガン剤投与と放射線照射を行う為、後遺症として、小児の場合は成長障害、また男女とも極めて高い確率で永久的な不妊となることが知られている。かつては「不治の病」とされた血液難病の患者も造血幹細胞移植により治癒するケースが多くなった現在では、ただ生命を救うだけでなく、その後のQOLも重視すべきだと考えられるようになっている。不妊の問題に関しては、男性患者の場合は移植前に精子採取・凍結保存が可能である。また女性患者の場合、前処置の放射線照射の際卵巣を遮蔽する方法や、従来困難とされてきた未受精卵凍結保存も近年可能となった（ただし、移植治療を受けた女性患者が回復後に凍結未受精卵により妊娠・出産する可能性は不明）。患者の生きる希望を繋ぐためにも何らかの形で生殖能力を残すことの重要性が訴えられている。しかし、現実にはその猶予もなく治療を優先せざるを得ないケースも多い。
自己末梢血幹細胞移植（PBSCT）.
通常、末梢血（体内の普通の血管内を流れる血液）には造血幹細胞はほとんど含まれていないが、造血因子を投与すると移植に行うのに十分な幹細胞を確保できる。一部の急性白血病の場合、この方法により末梢血から自らの白血病細胞に冒されていない正常な造血幹細胞を採取・保存し、自家移植が可能な場合もある。
ドナーから末梢血幹細胞を動員する場合、顆粒球コロニー刺激因子を投与する。この際、骨痛が起きることもある。
同種末梢血幹細胞移植.