Erkrankungen verursachen Veränderungen des Stoffwechsels, des Immunsystems, der Blut-und Gewebszellen, und der natürlichen Besiedlung des menschlichen Körpers mit Mikroorganismen. Diese Veränderungen werden in den verschiedenen Teilgebieten der Laboratoriumsmedizin mit quantitativen Messmethoden erfasst. Die angewendeten Methoden werden täglich durch die Untersuchung von Kontroll-Proben mit bekannten Wertlagen auf Richtigkeit und Präzision geprüft ("interne Qualitätskontrolle"). Die Untersuchung von Kontroll-Proben, die im Auftrag der Bundesärztekammer landesweit an medizinische Laboratorien versandt werden ("Ringversuche"), dient der "externen Qualitätskontrolle".
Hier werden der menschliche Stoffwechsel und seine krankheitsbedingten Veränderungen untersucht. Das am häufigsten untersuchte Material ist das leicht zu gewinnende Blut, bzw. das daraus erhaltene zellfreie Serum. Hierin spiegelt sich die aktuelle Stoffwechsellage wider. Aus den Untersuchungen können, oft in Minutenschnelle, umfangreiche Informationen über die Funktionen der Organe gewonnen werden. Diese Informationen sind vielfach richtungsweisend bei der Behandlung von anfänglich unklaren Krankheitsbildern. Man weiß, daß bei mehr als der Hälfte aller Krankenhauspatienten entscheidende Informationen für die Behandlung aus dem Labor kommen.
Hier werden die Zellen des menschlichen Blutes untersucht. Viele Untersuchungen, etwa zu Größe, Anzahl und Farbstoffgehalt roter Blutkörperchen, können mit großer Präzision von Automaten durchgeführt werden, doch gerade bei der Beurteilung krankhaft veränderter weißer Blutkörperchen, und beim Nachweis von Parasiten im Blut ist der erfahrene Blick durch das Mikroskop erforderlich.
Der Mensch lebt in Gemeinschaft mit ungezählten Mikroorganismen, die seinen Körper an vielen Stellen besiedeln. Erkrankungsbedingt kann die natürliche Besiedlung (z.B. des Darms) aus dem Gleichgewicht geraten, oder Mikroorganismen dringen in Bereiche des Körpers ein, die normalerweise nicht mikrobiell besiedelt (also "steril") sind. Im mikrobiologischen Labor werden diese krankmachenden Mikroorganismen isoliert, und ihre Empfindlichkeit gegenüber Antibiotika getestet, so dass die Infektion gezielt behandelt werden kann.
Im serologischen Labor werden Antikörper gegen Infektionserreger (Infektionserreger-Serologie) und gegen körpereigene Substanzen (Autoimmun-Serologie) untersucht. Oft kommt aus diesem Labor der entscheidende Hinweis auf eine Infektion, an der ein Patient leidet.