Metoda ta to również rodzaj zapłodnienia pozaustrojowego, w którym technika samego zapłodnienia jest inna i bardziej skomplikowana. Polega ona na wprowadzeniu pojedynczego plemnika do wnętrza komórki jajowej. Procedura ta odbywa się pod kontrolą mikroskopu, z wykorzystaniem specjalnych mikropipetek i mikromanipulatora.
ICSI stosuje się gdy:

• liczba plemników o ruchu prawidłowym jest mniejsza niż 1 milion w 1 ml nasienia;
• kolejne próby zapłodnienia pozaustrojowego nie przyniosły efektu;
• występuje brak plemników w nasieniu (azoospermia). Wówczas stosuje się tzw. ICSI-PESA lub ICSI-TESE- mikromanipulację po uzyskaniu plemników drogą biopsji najądrza lub jądra.