(ICSI por sus siglas en ingles). Este procedimiento conlleva muchas de las etapas de la IVF, con la diferencia que un solo espermatozoide es inyectado directamente dentro del óvulo utilizando un microscopio especial; para que la fertilización ocurra fuera del útero de la mujer.

Este tratamiento se utiliza en aquellos casos de azoospermia obstructiva, es decir, cuando existe una obstrucción de los conductos deferentes, que son los que llevan los espermatozoides del testículo al exterior, como sucede en los hombres vasectomizados u otros que tienen ausencia congénita de estos conductos. 
La oligospermia severa, que es una disminución significativa del número de espermatozoides, también es una indicación para este tratamiento. Así también en los casos que existen anticuerpos antiespermatozoides, que es una alergia a los propios espermatozoides, o en los casos de baja capacidad de fecundación a pesar de semen normal y, como último recurso, en los casos de infertilidad sin causa determinada. 

Los espermatozoides para la inyección se obtienen normalmente por la eyaculación, sin embargo existen otros métodos para aquellos casos que de otro modo parecen irresolubles, tales como: la aspiración percutánea al epidídimo o a los testículos directamente (MESA o TESA), o bien las biopsias abiertas. Incluso con precursores de los espermatozoides (espermátides), que son espermatozoides inmaduros, se han logrado embarazos mediante la ICSI. 

Según los datos publicados en 1998 por la Sociedad de la Tecnología para la Reproducción Asistida, la tasa de nacimientos después de ICSI fue del 23.5%. En pacientes menores de 34 años se han comunicado tasas de embarazo por transferencia tras ICSI de hasta el 49%. Incluso se ha logrado una tasa de embarazo por ciclo del 14.8% con ICSI realizado un día después del fracaso de fecundación de los ovocitos con los métodos convencionales.