Koronarografia może trwać od ok. 30 minut do godziny lub nawet dłużej. Zabieg wykonywany jest w znieczuleniu miejscowym. Oznacza to że pacjent jest przytomny podczas badania, ale nie czuje bólu. W trakcie zabiegu pacjent leży płasko na stole zabiegowym. Nad stołem zabiegowym znajduje się urządzenie emitujące promieniowanie rentgenowskie.

Na początku lekarz znieczula miejsce nakłucia lub nacięcia skóry (dzięki czemu nie jest to bolesne). Po nakłuciu do tętnicy wprowadzony zostaje cewnik. Cewnik jest to cienka, giętka, pusta w środku rurka. Lekarz delikatnie wsuwa cewnik do tętnicy kierując go w stronę serca: do aorty oraz do ujść tętnic prowadzących krew do mięśnia sercowego. Gdy cewnik znajduje się w miejscu docelowym, podany zostaje środek cieniujący (tak zwany kontrast). Uzyskany obraz jest rejestrowany. W ten sposób uzyskiwany jest tak zwany angiogram. Na angiogramie widać: przepływ krwi w naczyniach wokół serca, zwężenia tętnic lub inne (np. wrodzone) nieprawidłowości. Uzyskane angiogramy mogą być archiwizowane w formie cyfrowej, co umożliwia wielokrotną analizę badania.

Podczas zabiegu każdy pacjent jest monitorowany (za pomocą ciągłego zapisu EKG oraz ciągłego pomiaru ciśnienia tętniczego).

Dość często bezpośrednio po koronarografii wykonuje się zabieg poszerzenia zwężonej tętnicy, czyli angioplastykę.

Po badaniu cewnik jest delikatnie usuwany. Jeśli badanie wykonano poprzez tętnicę udową pacjent powinien pozostać w pozycji leżącej przez kilkanaście godzin, aby nakłuta tętnica mogła się zagoić. Podobnych zaleceń nie stosuje się w przypadku badania poprzez tętnicę w kończynie górnej.