Für viele Herzerkrankungen ist die Herzkatheteruntersuchung sehr aussagekräftig. Dabei sondiert der Arzt das rechte und das linke Herz mit einem millimeterdünnen biegsamen Kunststoffschlauch (dem Katheter). Über diesen spritzt er Kontrastmittel und misst den Blutdruck sowie den Sauerstoffgehalt in den einzelnen Herzkammern. Mit einer kleinen Biopsiezange entnimmt er bei Bedarf Herzmuskelgewebe (Herzmuskelbiopsie, Myokardbiopsie), um es z. B. auf Entzündungszeichen zu untersuchen.
Bei der Rechtsherzkatheterisierung (Einschwemmkatheter-Untersuchung) wird der Katheter über eine Vene der Ellenbeuge oder der Leiste bis zum rechten Herzen und weiter in die Lungenarterien vorgeschoben. Oft befindet sich an seiner Spitze ein aufblasbarer Ballon, der vom venösen, also Richtung Herz fließenden Blutstrom mitgeschwemmt wird und so das Vorschieben des Katheters erleichtert. Bei der Rechtsherzkatheterisierung stehen Druckmessungen und die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den rechten Herzhöhlen und in den Lungengefäßen im Vordergrund. Eine Rechtsherzkatheterisierung ist heute selten, weil viele Ergebnisse bereits durch eine Echokardiografie erhältlich sind.
Die Linksherzkatheterisierung ist dagegen eine wichtige Standarduntersuchung und fast immer mit einer Kontrastmitteldarstellung der Herzhöhlen und der Herzkranzarterien verbunden. Um einen Katheter ins linke Herz vorschieben zu können, muss eine Arterie punktiert werden. Meist benutzt der Arzt dafür Arterien der Leiste oder des Ellbogens, seltener des Handgelenks. In den linken Herzhöhlen und in der Hauptschlagader bestimmt der Arzt zunächst den Blutdruck und den Sauerstoffgehalt des Bluts, bevor er Kontrastmittel einspritzt, um die Pumpfunktion des Herzens und die Herzklappenfunktion am Röntgenschirm zu beurteilen.
Anschließend sondiert er die nach der Aortenklappe aus der Aorta abgehende rechte und linke Herzkranzarterie und füllt sie mit Kontrastmittel. Diese Koronarangiografie stellt das weit verzweigte Herzkranzgefäßsystem mit allen Engstellen und Verschlüssen dar. Wenn sich eine Verengung im Herzkranzgefäß zeigt, kann das betroffene Gefäß im gleichen Untersuchungsgang gedehnt und wieder durchgängig gemacht werden (Gefäßaufdehnung). Nach einer Linksherzkatheteruntersuchung muss die Blutung der punktierten Arterie über mehrere Stunden mit einem Druckverband gestillt werden. Nach einer Leistenpunktion wird eine mehrstündige Bettruhe verordnet, um das Risiko einer Nachblutung zu verringern.
Bei einer Linksherzkatheteruntersuchung kommt es häufig zu kleinen arteriellen Gefäßverletzungen; in weniger als jedem 1000. Fall ergeben sich schwere Komplikationen wie Herzinfarkt oder Schlaganfall. Daher wird die Notwendigkeit einer solchen Untersuchung sorgfältig geprüft – häufig gibt es jedoch keine Alternative.