Eine arterielle Blutentnahme für die Blutgasanalyse wird meist an der Arterie der Handgelenksunterseite (Arteria radialis) durchgeführt. Die Blutprobe kann prinzipiell aber auch an anderen Arterien genommen werden. Der Arzt ertastet anhand des Pulses die Lage der Arterie. Nach Desinfektion der Hautstelle sticht er mit einer feinen Hohlnadel in die Arterie, das Blut fließt dann in das Probenröhrchen. Nach dem Entfernen der Nadel wird über mehrere Minuten ein Tupfer auf die Einstichstelle gedrückt, um die Blutung zu stoppen.
Oft vorgenommen wird stattdessen auch die Entnahme von Kapillarblut (gemischtes Arterien- und Venenblut aus den kleinen Blutgefäßen), meist aus dem Ohrläppchen oder der Fingerbeere. Dies erfolgt durch Stich mit einer Nadel und anschließender Aufnahme des austretenden Blutes mit einem feinen Röhrchen.
Das Probenröhrchen wird in möglichst kurzer Zeit (nicht mehr als einer Stunde) in das Blutgasanalysegerät gegeben, von dem die Werte gemessen werden. Als Ausdruck stehen die Werte zur Beurteilung durch den Arzt zur Verfügung.