世界上第一次將精子與卵子共置于玻璃試管或試皿內進行受精試驗，而非在體內時，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由屠宰場取得的卵巢，采集卵巢上未成熟的卵母細胞，經體外培養使其成熟，或應用超音波掃描以觀察濾泡發育狀態，自活體吸取卵母細胞。

胚的體外生產系統包含：卵的體外成熟、體外受精及胚的體外培養等三大部分。早期研究體外受精技術甚為困難，一九九○年時，美國及加拿大經由體外受精生產的小牛，總數不超過一百頭。

活體取卵是近十年來新發展的技術，經過不斷地改善，已經有商業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。母牛每周以采集兩次所得的卵母細胞品質較好，數量也較多。平均每次約可收集到10個卵母細胞。

當牛只發育成長，排卵前卵子重新進行減數分裂，使核增大。濾泡成熟的過程，需經過初級、次級、三級的發育階段，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，細胞核亦進行減數分裂，達到第一次減數分裂中期的階段，稱為初級卵母細胞。初級卵母細胞再經一次減數分裂，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。發育成熟的次級卵母細胞，經排卵并被精子受精后，再繼續完成其減數分裂，直到排出第二極管后才會進行一般細胞的有絲分裂，發育成為早期胚。

從屠宰場取得的卵母細胞，必須經過體外成熟階段才能進行受精。體外成熟的培養液一般采用組織培養液如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。

精子與卵發生受精作用之前必先經過獲能，這是一個非常復雜的精子生理變化過程。在體內受精情形下，精子必須先在雌性生殖道中，經過數小時的獲能準備才有受精的能力；在這段期間中，精子發生的生理生化改變，包括去除精子表面附著的抗原物質，以及進行頭帽反應，尤其是在頭帽內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，均可誘發獲能。

體外受精即是將已經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箱中培養48小時。

受精完成并卵裂為二至四細胞的受精卵稱為胚。經體外受精后的早期胚，在繼續卵裂發育的過程中，會發生發育阻滯現象。不同的動物出現細胞發育阻滯的時期不同，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育阻滯現象，確保其發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生發育阻滯的方法，是采用細胞共培養系統。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，即可克服發育阻滯現象，使胚能繼續發育，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育階段不一致時，移入的胚不能順利發育，而導致懷孕失敗，因此必須利用內泌素對牛只進行處理，來調整母牛的發情周期使之同期化。其目的在使母牛于預定的時間集中發情，以便實施有計畫的胚移置工作，提高受胎率。

同期發情處理應用的內分泌素有多種選擇，最常用的是前列腺素；其功能是當卵巢有黃體存在時，經注射前列腺素后即被消解，于是在二至三天內又能誘發一個新的發情周期，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亦必須一致，才有利于未來胚的持續發育及著床。胚在發育早期和子宮組織間尚未建立密切的關系，此一階段的發育，基本上是依靠本身儲存的養分，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境中，移置的胚即能繼續發育。

供胚牛與受胚牛的發情同期化程度，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，并在預定的位置將胚注入。