Die Herzkatheteruntersuchung erfolgt im Herzkatheterlabor. Dies ist ein Röntgenraum, der speziell auf die Bedürfnisse der Herzbildgebung ausgerichtet ist. Die Röntgenröhre kann während der Untersuchung um den Patienten rotiert werden, so dass das Herz von verschiedenen Seiten aus sichtbar gemacht wird. Das Herz selbst ist dabei nicht direkt sichtbar, sondern das Kontrastmittel, das über einen kleinen Katheter direkt in die Herzkranzgefässe, die Herzhöhlen oder andere Strukturen gespritzt wird. 

Der Patient liegt auf dem Herzkathetertisch und wird mit einem sterilen Tuch abgedeckt. Da sowohl das Herz als auch die zu- und abführenden Gefässe von innen nicht schmerzempfindlich sind, ist für die Untersuchung in der Regel nur eine lokale Betäubung nötig. Ausnahmen stellen sehr langwierige Untersuchungen oder Untersuchungen bei Kindern dar, welche in Vollnarkose durchgeführt werden. Der Zugang für den Herzkatheter erfolgt in der Regel über ein Leistengefäss. Beim Linksherzkatheter wird die Arterie genommen, beim Rechtsherzkatheter die Leistenvene. Alternativ kann der Zugang auch über ein Armgefäss oder ein Halsgefäss erfolgen. Die geplante Zugangsstelle wird eingehend desinfiziert und lokal betäubt. Durch eine kleine Nadel wird der Zugang zum Gefäss geschaffen und eine kleine Schleuse (das ist ein kurzer Ventilkatheter) eingeführt, durch den dann der eigentliche Herzkatheter unter Röntgenkontrolle zum Herzen vorgeschoben wird. Die Dicke des Katheters beträgt in der Regel 1-2mm. Am Zielort angekommen, kann nun durch das Einspritzen von Kontrastmittel die Zielstruktur sichtbar gemacht werden, es können Blutdrücke an diesem Ort gemessen und Sauerstoffkonzentrationen bestimmt werden. Bei bekannter Kontrastmittelunverträglichkeit, welche falls bekannt immer gemeldet werden sollte, werden entsprechende Gegenmittel zuvor oder während der Untersuchung verabreicht. Die Dauer einer rein diagnostischen Untersuchung, d.h. es wird keine Behandlung durchgeführt, beträgt in der Regel zwischen 30 und 60 Minuten, abhängig von Art und Umfang der Untersuchung. 

Nach der Untersuchung werden Katheter und Schleuse wieder im Herzkatheterlabor entfernt, und die Einstichstelle durch kurzzeitiges Abdrücken oder durch Einbringen eines Verschlusssystems versorgt. Der Patient kehrt daraufhin in sein Bett zurück und wird anschliessend auf die Station verlegt. Zur Abheilung der Zugangsstelle ist dort noch eine Bettruhe von 2 bis 4 Stunden notwendig, um Blutungen aus der Einstichstelle zu vermeiden.

Abhängig vom Ergebnis der Untersuchung stehen heutzutage eine Vielzahl von Kathetertechniken zur Verfügung, um einen krankhaften Befund meist bereits unmittelbar im Rahmen der Herzkatheteruntersuchung zu behandeln, d.h. zu intervenieren. Die am häufigsten durchgeführte Intervention ist die Ballondilatation und Stentimplantation, d.h. das Einbringen einer kleinen Gefässstütze aus Metall, bei Verengungen der Gefässe (Angioplastie). Aber auch Engstellen der Herzklappen können mittels neuer Katheterklappen ersetzt oder mit Ballons aufgedehnt werden, Kurzschlüsse am Herzen können durch kleine Schirmchen verschlossen, Herzrhythmusstörungen durch Katheter beendet oder ihr Auftreten verhindert werden (Ablationen).