La villocentesi si esegue in ambulatorio e non richiede alcuna preparazione particolare.
Per prima cosa l'operatore determina con l'ecografia l'epoca gestazionale della gravidanza e la posizione dell'impianto dell'embrione. Successivamente, l'ecografia è utilizzata per guidare il prelievo dei villi coriali.
Se il prelievo è effettuato attraverso l'addome (via transaddominale), che è la modalità più frequente, l'operatore disinfetta la pelle (cute) della pancia materna e utilizza un anestetico locale per rendere insensibile il punto in cui sarà inserito l'ago. Successivamente, sotto guida ecografica, l'operatore inserisce un ago lungo e sottile attraverso la pancia (parete addominale) fino a raggiungere l'interno dell'utero. Quindi, con una siringa, egli preleva una piccola quantità (campione) di tessuto dai villi coriali, che sarà analizzato successivamente, e rimuove l’ago.  
Se il prelievo, invece, è effettuato attraverso la vagina e il collo dell'utero (via trans-cervicale) si utilizza uno strumento (speculum), di metallo o di plastica, per allargare le pareti della vagina e visualizzare il collo dell'utero. Sotto guida ecografica, un tubicino collegato a una siringa è inserito attraverso la vagina e il canale cervicale, precedentemente disinfettati con una soluzione antisettica, e viene fatto proseguire fino alla sede dell’impianto per prelevare una piccola quantità di tessuto dei villi coriali, da analizzare successivamente.
Al termine del prelievo il battito cardiaco del feto è ricontrollato con l’ecografia. La maggior parte delle donne descrive la villocentesi come fastidiosa più che dolorosa. Il fastidio della villocentesi effettuata per via trans-cervicale è simile a quello provato in occasione del prelievo per il pap-test. Entrambe le tecniche sono sicure e la scelta è effettuata dal medico dopo aver valutato vari fattori tra cui la posizione dell'embrione e della placenta in formazione.
Generalmente, la donna è tenuta in osservazione per circa un’ora dopo il prelievo, soprattutto per controllare la comparsa di eventuali perdite di sangue che possano verificarsi subito dopo l'indagine, e poi può tornare a casa. In caso di gravidanza gemellare bicoriale, vale a dire con 2 sacche amniotiche che contengono i due embrioni e le rispettive placente, è preferibile ricorrere all'amniocentesi perché l'esecuzione di due prelievi aumenta il rischio di aborto.
Se la mamma è di gruppo sanguigno Rh negativo è raccomandata una profilassi con immunoglobuline anti-D per prevenire la formazione di anticorpi diretti contro le cellule del sangue del feto.
Dopo la villocentesi si consiglia di riposare, evitando sforzi per almeno 24 ore, e di seguire le indicazioni del proprio medico che potrebbe programmare una ecografia di controllo dopo un paio di giorni dall'esame.
In caso di perdite di liquido, o di consistenti perdite di sangue dalla vagina, di forti dolori addominali, di contrazioni uterine o di febbre occorre contattare il più rapidamente possibile il medico.
La villocentesi determina un aumento del rischio di aborto spontaneo, dovuto all'esecuzione dell'esame, e un rischio di infezioni uterine. Il rischio aggiuntivo di aborto spontaneo è in parte legato all'esperienza di chi esegue la procedura ed è difficile da quantificare: alcuni studi suggeriscono che sia più alto per la villocentesi eseguita per via trans-cervicale rispetto a quella trans-addominale, che avrebbe, invece, un rischio sovrapponibile a quello della amniocentesi. Globalmente, sulla base delle prove ad oggi disponibili, lo si considera compreso tra l'1-2%. Il rischio di infezioni uterine è invece inferiore a 1 ogni 1000 donne che si sottopongono a villocentesi.
Il rischio che la villocentesi causi complicazioni è maggiore se è eseguita prima della 10a settimana di gravidanza ed è per questo motivo che il test è effettuato solo dopo tale epoca gestazionale.