מחקר פיז"ה מגדיר אוריינות כך: "אוריינות היא היכולת של תלמידים ליישם ידע וכישורים שרכשו בתחומים מרכזיים, וכן לנתח, להסיק ולהסביר בצורה יעילה את הדרכים שבהן הם ניגשים לבעיות, מפרשים אותן ומוצאים להן פתרונות, במגוון מצבים". אוריינות קריאה מוגדרת במחקר כיכולת להבין, להשתמש ולהעריך באופן ביקורתי טקסט כתוב, כדי להשיג את יעדיו של הפרט, לפתח את הידע והפוטנציאל שלו ולתרום לחברה. אוריינות מתמטיקה מוגדרת כיכולת לזהות ולהבין את התפקיד שממלאת המתמטיקה בעולם, לערוך שיפוטים מבוססים, להשתמש בה ולעסוק בה בדרך שתענה על צרכיו של הפרט כאזרח מועיל, מתעניין וביקורתי. אוריינות מדעים מוגדרת כיכולת לזהות שאלות, לרכוש ידע חדש, להסביר תופעות מדעיות ולהסיק מסקנות המבוססות על הוכחות ביחס לנושאים הקשורים למדע; להבין מה מייחד את המדע, להיות מודע לאופן שבו המדע והטכנולוגיה מעצבים את הסביבה; ולשאוף לעסוק בנושאים מדעיים בדרך ביקורתית.
במחזורי המחקר האחרון, נוספו, לצד מבחנים בנייר ועפרון גם מבחנים ממוחשבים הבודקים קריאה דיגיטלית (קריאה והבנה של טקסטים האופייניים לסביבה אינטרנטית וממוחשבת) פתרון בעיות (התמודדות עם בעיות מעולם המציאות המומחשות ומדומות במחשב), ואוריינות מתמטיקה באמצעות מחשב.
פיתוח המבחן ויישומו.
המחקר מנוהל ומפותח על ידי ה-OECD באמצעות תאגיד בינלאומי של מוסדות מחקר וחינוך שאותו הובילה עד למחזור מחקר 2012 המועצה האוסטרלית למחקר חינוכי (Australian Council for Educational Research - ACER). גופים אחרים, אירופאיים ואמריקאים (ETS, WESTAT), אחראים על היבטים שונים של המחקר, כגון פיתוח שאלוני הרקע והעמדות של התלמידים, תרגום המבחן לשפות המדינות המשתתפות השונות, פיתוח השאלונים לתלמיד ולמנהל וכו'. במחזור מחקר 2015, קיבל את ההובלה על התאגיד, ה-ETS) Educational Testing Service) גוף אמריקאי מוביל בארצות הברית ובעולם בתחום פיתוח מבחנים.
בכל מדינה המשתתפת במחקר מוקם מרכז מחקר לאומי, האחראי לתרגום המבחן לשפות המדינה, לסיוע בהכנת מדגם התלמידים, להעברת המבחנים והשאלונים ובדיקתם. פעולות אלו מתבצעות תחת פיקוח הדוק וניהול של הגוף הבינלאומי על פי תקני איכות מפורטים ונוקשים, המבטיחים כי התוצאות מעבר למדינות השונות ובמחזורי מחקר שונים יהיו בנות השוואה וכי המחקר יהיה תקף.
המחקר מתקיים באופן מחזורי אחת לשלוש שנים. מחזור המחקר הראשון נערך בשנת 2000, ולאחר מכן בשנים 2003, 2006, 2009, 2012, 2015, 2018 (והמחזור הבא יהיה ב-2021). כשבכל מחזור מושם במוקד אחד משלושת תחומי האוריינות העיקריים (קריאה, מתמטיקה או מדעים), ושני תחומי האוריינות האחרים הם תחומי משנה. לעיתים נבדקים, בנוסף לשלושת תחומי אוריינות אלו, גם תחומים "אורחים" נוספים.
במחזור המחקר הראשון, בשנת 2000, נבחנו במבחן פיז"ה 265,000 תלמידים מ-32 מדינות. 28 מן המדינות היו חברות ב-OECD. בשנת 2002 בוצע גל שני של מחקר זה ונבחנו בו 11 מדינות נוספות (שלא היו חברות בארגון ה-OECD). במחזור פיז"ה 2000 היה תחום אוריינות הקריאה במוקד המחקר - שני שלישים מן השאלות במבחן היו בנושא זה, אוריינות מתמטיקה ואוריינות מדעים. השאלון לתלמיד התמקד בהרגלי התלמיד בקריאה ועמדותיו כלפי קריאה.
במחזור המחקר השני, בשנת 2003 נבחנו למעלה מ-275,000 תלמידים מ-41 מדינות שונות, ובכלל זה 30 המדינות החברות בארגון ה-OECD (עם זאת, הנתונים של תלמידי בריטניה לא נכללו בתוצאות הסופיות, לאחר שנקבע כי ניהול הבחינה בבריטניה לא עמד בתקני האיכות הנדרשים לצורך השוואה). במוקד מחקר זה בשנת 2003 היה תחום אוריינות מתמטיקה. כמו כן נבדקו עמדות התלמידים כלפי מתמטיקה, הסביבה החינוכית והאקלים הבית ספרי. במחזור המחקר ב-2003 נבחן "תחום אורח" נוסף על שלושת התחומים העיקריים: פתרון בעיות.
במחזור המחקר השלישי, בשנת 2006 היה תחום אוריינות המדעים במוקד המחקר. במבחן השתתפו 58 מדינות (ובכלל זה מדינות ה-OECD). במבחן נבדק ידע על מדע ושל מדע ותחומים כגון מדעי החיים ומדעי כדור הארץ; בשאלונים לתלמיד נבדקו העמדות של תלמידים כלפי מדע, ועמדות תלמידים בנושאים הקשורים למדע והנוגעים לאחריותם כלפי סוגיות המעסיקות מדינות מפותחות, כגון איכות הסביבה וקיימות.
במחזור המחקר שנערך בשנת 2009, היה שוב תחום אוריינות הקריאה במוקד המחקר. כך התאפשרה לראשונה מדידה חוזרת של מיומנויות אוריינות הקריאה של תלמידים ברחבי העולם באורח מעמיק, לאחר תשע שנים. לראשונה נבדק בחלק מן המדינות תחום אורייני חדש : "קריאה דיגיטלית" ERA - Electronic Reading Assessment. תחום זה עוסק בקריאת טקסטים על ובאמצעות מחשב ובאמצעות מחשב האופייני לסביבה מתוקשבת ולרשת האינטרנט (תוך התמודדות עם מספר טקסטים המופיעים בדפי מידע בו זמניים שהתנועה בהן אינה טורית וסדרתית אלא מקבילית, הייפר טקטסט, דוא"ל, רשתות חברתיות וכיוצא בזה (ישראל לא השתתפה בחלק זה בשל אי התאמת מערכת המבחן לכיווני ימין-שמאל). במחזור מחקר זה השתתפו כ-470,000 תלמידים מ-64 מדינות ומעיר אחת (שאנגחאי שבסין, שהשתתפה במחקר כישות חינוכית עצמאית). 34 מן המדינות המשתתפות היו המדינות החברות ב-OECD (מספר זה כולל את ישראל שהצטרפה לארגון במאי 2010) והשאר מדינות שאינן חברות בו.
במחזור המחקר החמישי שנערך בשנת 2012 נבחנו כחצי מיליון תלמידים מכ-70 מדינות (ובכלל זה 34 המדינות החברות בארגון ה-OECD). במוקד המחקר הזה היה שוב תחום אוריינות המתמטיקה. כמו כן נבדקו עמדות התלמידים כלפי מתמטיקה, הסביבה החינוכית והאקלים הבית ספרי. לראשונה הועבר גם חלק מן המבחן באוריינות מתמטיקה באורח ממוחשב. במחזור המחקר ב-2012 נבחנו "תחומים אורחים" אחדים בנוסף על שלושת התחומים העיקריים: פתרון בעיות - חלק זה של המבחן היה ממוחשב ודימה בעיות מחיי היומיום בחברה מודרנית ומפותחת, הבעיות לא היו בתחום דעת ספציפי. בנוסף נבדקו במחקר גם קריאה דיגיטלית, ואוריינות כלכלית. תחום אוריינות כלכלית עוסק ביכולת להתמודד עם בעיות ודילמות מחיי היומיום בתחום הפיננסי (תכנון תקציב, סדר עדיפויות, תשלומים, מחירים, חיסכון, לקיחת סיכונים כלכליים, ביטוח וכיוצא בזה).
במחזור המחקר השישי שנערך בשנת 2015 נבחנו מעל לחצי מיליון תלמידים מלמעלה מ-70 מדינות (ובכלל זה 35 המדינות החברות בארגון ה-OECD). לראשונה הועבר כל המחקר באמצעים ממוחשבים. במוקד המחקר הזה היה שוב תחום אוריינות המדעים. כמו כן נבדקו עמדות התלמידים כלפי מדעים, הסביבה החינוכית והאקלים הבית ספרי. במחזור המחקר ב-2015 נבחן תחום "אורח" : פתרון בעיות שיתופי (collaborative problem solving) - חלק זה של המבחן דימה בעיות ומשימות מחיי היומיום שאותן יש לפתור במשותף עם בני כיתה וחברים דמיוניות, כאשר לנבחן משתתף בפתרון הבעיה באמצעות "יצגן" (AVATAR). הבעיות לא היו בתחום דעת ספציפי. באמצעות המטלות נבדקו גם מיומנויותיו החברתיות של הנבחן אשר נדרש לשתף פעולה ולהציג לעמיתיו באופן שיקדם את פתרון הבעיה העומדת על הפרק.
מחזור המחקר השביעי ייערך בשנת 2018. ייבחנו בו מעל חצי מיליון תלמידים מלמעלה מ-70 מדינות (ובכלל זה 35 המדינות החברות בארגון ה-OECD). במוקד המחקר הזה היה שוב תחום אוריינות הקריאה. כמו כן ייבדקו עמדות התלמידים כלפי קריאה, הסביבה החינוכית והאקלים הבית ספרי. במחזור המחקר הזה ייבחן תחום "אורח": יכולות גלובליות (Global competences) - חלק זה של המבחן יבדוק האם ובאיזה אופן צעירים בני 15 (משתתפי המחקר), יודעים, מכירים, מבינים פתוחים ורגישים למה שקורה בעולם (בגלובוס). עד כמה הם מודעים ומבינים את הבעיות העיקריות והמגמות העיקריות בעולם (למשל פיצוץ אוכלוסין, מעבר וזרימה של אנשים בין ארצות ומדינות, התחממות כדור הארץ, שיתוף פעולה בין ארצות והתלות בין מדינות וכו') ועד כמה הם "קוסמופוליטיים", מתעניינים בתרבויות אחרות, מסוגלים לקבל ולתקשר עם בני תרבויות אחרות וכו', מסוגלים ומיומנים להשתלב בעתיד בחיים ובכלכלה במדינה אחרת ובכלכלה הגלובלית בעתיד וכו'.  בהערכת תחום זה יהיו שני כלים עיקריים: מבחנים ושאלונים. במבחנים יבדקו את הידע של הנבחנים בנושא (הגירה, עוני, שווקים משותפים, תקשורת מחשבית וכיוצא בזה) וההשלכות שלהם על החיים במדינות מגוונות. בשאלונים יבדקו באיזו מידה תלמידים גמישים ומקבלים מצבים משתנים, תרבויות אחרות, מבינים את החשיבות של פרספקטיבות שונות, בעלי יכולת להיות ביקורתיים (במיוחד כלפי עצמם) ולראות עצמם לא במרכז אלא כעוד חלק מהעולם. יבדקו גם את המכניזם הפסיכולוגי רגשי שמאפשר להם להתמודד עם שונות, עם הסתגלות למצבים אחרים שונים מהפרספקטיבה וממה שהם רגילים, ואת כישוריהם והנכונות שלהם להתגמש, במיוחד להתאים עצמם לצורך יכולת לתקשר עם אחרים שבאים מתרבות ורקע אחרים.
חלק מהדברים יהיו הרחבות בשאלונים קיימים, למשל, ישאלו את התלמידים עד כמה הם סקרנים, מתעניינים במה שקורה במקומות אחרים בעולם, מקיימים קשרים עם אנשים מארצות אחרות, יודעים שפות אחרות, מבינים את החשיבות שבקבלת אנשים מתרבויות אחרות וקליטתם. הדבר ישתקף גם בשאלון למנהל, שם ישאלו באיזה מידה מעודדים את ההיבטים האלו בבית הספר, האם תומכים בתלמידים שהם שונים (למשל דוברי שפות אחרות, מהגרים ועולים מארצות שונות) ועוד.
השתתפות ישראל ויישום המחקר בישראל.