世界上第一次將精子與卵子共置于玻璃試管或試皿內(nèi)進行受精試驗，而非在體內(nèi)時，即被稱之為體外受精。
初生母牛的卵巢中，約含有十至三十萬個卵母細胞，隨著成長過程，卵巢逐漸增大，重量亦隨之增加。卵母細胞的來源可以經(jīng)由屠宰場取得的卵巢，采集卵巢上未成熟的卵母細胞，經(jīng)體外培養(yǎng)使其成熟，或應用超音波掃描以觀察濾泡發(fā)育狀態(tài)，自活體吸取卵母細胞。
胚的體外生產(chǎn)系統(tǒng)包含：卵的體外成熟、體外受精及胚的體外培養(yǎng)等三大部分。早期研究體外受精技術甚為困難，一九九○年時，美國及加拿大經(jīng)由體外受精生產(chǎn)的小牛，總數(shù)不超過一百頭。
活體取卵是近十年來新發(fā)展的技術，經(jīng)過不斷地改善，已經(jīng)有商業(yè)化的儀器與設備供應。這些設備需要超音波儀，并配備固定功率的探頭，以及真空幫浦和采卵針。從超音波儀看到小濾泡時，立即將采卵針刺進小濾泡，負壓作用即將濾泡液和卵母細胞吸入離心管內(nèi)。母牛每周以采集兩次所得的卵母細胞品質(zhì)較好，數(shù)量也較多。平均每次約可收集到10個卵母細胞。
當牛只發(fā)育成長，排卵前卵子重新進行減數(shù)分裂，使核增大。濾泡成熟的過程，需經(jīng)過初級、次級、三級的發(fā)育階段，最后始成為成熟濾泡，當卵子由成熟的濾泡排出時稱為排卵。
在濾泡成熟的后期，卵母細胞也逐漸成熟，細胞核亦進行減數(shù)分裂，達到第一次減數(shù)分裂中期的階段，稱為初級卵母細胞。初級卵母細胞再經(jīng)一次減數(shù)分裂，即分裂為次級卵母細胞以及一個稱為第一極體的較小細胞，此時達到第二次減數(shù)分裂中期。細胞分裂的過程中，當有第一極體排出時，即顯示核已達到成熟，可以準備受精，這是重要的標記，利用立體顯微鏡即可觀察到。發(fā)育成熟的次級卵母細胞，經(jīng)排卵并被精子受精后，再繼續(xù)完成其減數(shù)分裂，直到排出第二極管后才會進行一般細胞的有絲分裂，發(fā)育成為早期胚。
從屠宰場取得的卵母細胞，必須經(jīng)過體外成熟階段才能進行受精。體外成熟的培養(yǎng)液一般采用組織培養(yǎng)液如TCM199，另外再添加胎牛血清，它有促進卵子體外成熟及確保較佳的卵裂效果。
精子與卵發(fā)生受精作用之前必先經(jīng)過獲能，這是一個非常復雜的精子生理變化過程。在體內(nèi)受精情形下，精子必須先在雌性生殖道中，經(jīng)過數(shù)小時的獲能準備才有受精的能力；在這段期間中，精子發(fā)生的生理生化改變，包括去除精子表面附著的抗原物質(zhì)，以及進行頭帽反應，尤其是在頭帽內(nèi)至少要有四種酵素的激活和釋放。精子欲穿過卵子的透明帶，必須要靠這些酵素來溶解卵丘細胞團及透明帶。
體外精子獲能的方法，主要是靠添加肝素或是咖啡因來處理。凡能促使鈣離子進入頭帽的刺激，均可誘發(fā)獲能。
體外受精即是將已經(jīng)完成獲能的精子和成熟的卵母細胞，共同置于受精用溶液中，然后將之靜置于二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48小時。
受精完成并卵裂為二至四細胞的受精卵稱為胚。經(jīng)體外受精后的早期胚，在繼續(xù)卵裂發(fā)育的過程中，會發(fā)生發(fā)育阻滯現(xiàn)象。不同的動物出現(xiàn)細胞發(fā)育阻滯的時期不同，牛羊為八至十六細胞期，豬為四細胞期，小鼠為二細胞期。因此如何克服牛的細胞發(fā)育阻滯現(xiàn)象，確保其發(fā)育能越過十六細胞期，是早期研究的重點。最早是利用兔子的輸卵管，將受精完成并卵裂的牛胚，移入已結扎的兔子輸卵管中，移植后第五天，再從兔子的輸卵管回收已發(fā)育至桑椹期或囊胚期的胚，再進行胚移置到受胚牛。
目前用來克服早期胚在體外發(fā)生發(fā)育阻滯的方法，是采用細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)。將胚與卵丘細胞、輸卵管上皮細胞或子宮上皮細胞等體細胞共同培養(yǎng)，即可克服發(fā)育阻滯現(xiàn)象，使胚能繼續(xù)發(fā)育，直到成為桑椹期或囊胚期，再做移置。
當母牛的生理周期與胚發(fā)育階段不一致時，移入的胚不能順利發(fā)育，而導致懷孕失敗，因此必須利用內(nèi)泌素對牛只進行處理，來調(diào)整母牛的發(fā)情周期使之同期化。其目的在使母牛于預定的時間集中發(fā)情，以便實施有計畫的胚移置工作，提高受胎率。
同期發(fā)情處理應用的內(nèi)分泌素有多種選擇，最常用的是前列腺素；其功能是當卵巢有黃體存在時，經(jīng)注射前列腺素后即被消解，于是在二至三天內(nèi)又能誘發(fā)一個新的發(fā)情周期，因此能掌控排卵時間及胚移置的最佳進行時機。
當新鮮胚移置時，供胚牛與受胚牛的卵巢和子宮生理狀態(tài)亦必須一致，才有利于未來胚的持續(xù)發(fā)育及著床。胚在發(fā)育早期和子宮組織間尚未建立密切的關系，此一階段的發(fā)育，基本上是依靠本身儲存的養(yǎng)分，所以沖洗子宮后取得的胚，較易存活，一旦放回與供胚牛相似的受胚牛的子宮環(huán)境中，移置的胚即能繼續(xù)發(fā)育。
供胚牛與受胚牛的發(fā)情同期化程度，差異不得超過六小時，否則會降低受胎率；也就是說，供胚牛在發(fā)情、配種后七至八天取胚，受胚牛也應在相同時間接受移置。
在大型哺乳動物采用非手術法移置技術，此技術從一九七六年以后即廣泛應用于牛。牛胚移置的器材與人工授精相似，僅有口徑較小與長度較長的差異而已。移置前，將胚放入胚管并且裝入移置器；移置時，自生殖道插入移置器直到子宮頸外口，另一手則深入直腸找到子宮頸，緩緩配合將移置器送入子宮角內(nèi)，并在預定的位置將胚注入。