Le candidat à la préparation d'un doctorat doit être titulaire d'un diplôme national de master ou d'un autre diplôme conférant le grade de master, à l'issue d'un parcours de formation établissant son aptitude à la recherche.
Selon l'arrêté du 7 août 2006, la politique de choix des doctorants est définie et mise en œuvre par chaque école doctorale et doit être fondée sur des critères explicites et publics. Après avis des directeur de thèse et directeur d'unité de recherche potentiels, et après examen de la candidature et de la délibération du conseil de l'école doctorale, l'inscription est, le cas échéant, proposée par le directeur de l'école doctorale au directeur de l'établissement habilitée à délivrer le doctorat considéré et prononcée par ce dernier. Le directeur de l'école doctorale doit en particulier s'assurer que les conditions scientifiques, matérielles et financière sont réunies pour garantir le bon déroulement des travaux de recherche du candidat, il doit en outre s'assurer de la qualité du projet de recherche doctorale après avis du directeur de l'unité de recherche concernée.
Les doctorants effectuent leurs travaux sous le contrôle et la responsabilité d'un directeur de thèse rattaché à l'école doctorale ou, dans le cadre d'une co-direction, de deux codirecteurs de thèse dont au moins un rattaché à l'école doctorale, notamment lorsque le travail doctoral est effectué dans un organisme d'accueil non- universitaire associé à l'école doctorale. Les fonctions de directeur ou de codirecteur de thèse peuvent être exercées :
Au cours de la préparation de leur thèse de doctorat, les doctorants doivent généralement suivre des formations d'accompagnement et/ou participer à des enseignements, séminaires, missions ou stages organisés dans le cadre de l'école doctorale.
Selon la réglementation en vigueur, la préparation de la thèse de doctorat doit s'effectuer, « en règle générale », en 3 ans. La prolongation éventuelle de la durée de préparation est soumise, sur demande motivée du candidat, à l'obtention d'une dérogation accordée par le chef d'établissement, sur proposition du directeur de l'école doctorale et après avis du directeur de thèse et du conseil de l'école doctorale.
La préparation du doctorat correspond, selon la loi, à la fois à « une formation par la recherche » (dans l'esprit de l'ancien diplôme de docteur de 3e cycle) et à une « expérience professionnelle de recherche » (dans l'esprit de l'ancien doctorat d'État).
Lorsque le doctorant a accumulé suffisamment de matière, il rédige un mémoire appelé manuscrit de thèse ou mémoire de thèse. Il doit déposer celui-ci six semaines avant la soutenance au service chargé du doctorat qui délivrera au président du jury, le cas échéant, l'attestation de dépôt et le bordereau descriptif. La soutenance du candidat est proposée par son directeur de thèse au chef d'établissement. Celui-ci désigne alors, sur proposition du directeur de l'école doctorale, après avis du directeur de thèse, deux rapporteurs (ou plus), des chercheurs confirmés du domaine, extérieurs à l'école doctorale et à l'établissement de soutenance, généralement titulaires de l'habilitation à diriger des recherches, qui lisent en détail le manuscrit et rédigent chacun un rapport à son sujet. Au vu des rapports et sur avis du directeur de l'école doctorale, le doctorant peut être autorisé à soutenir sa thèse par le chef d'établissement. Il diffuse alors au sein de son établissement de soutenance le résumé de ses travaux.
Le doctorant présente ensuite son travail oralement devant un jury composé de chercheurs confirmés du (ou des) domaine(s) abordé(s) et désigné par le chef d'établissement sur avis du directeur de l'école doctorale et du directeur de thèse. Les rapporteurs du mémoire de thèse et le directeur de thèse sont souvent choisis comme membre du jury. Le jury est composé de trois personnes au minimum et de huit au maximum (arrêté du 7 août 2006, art. 19), il choisit en son sein un président devant être professeur des universités ou assimilé. Il peut également choisir un rapporteur de soutenance. Au moins la moitié des membres doit être extérieure à l'école doctorale et à l'établissement de soutenance et au moins la moitié du jury doit être composée de professeurs des universités ou assimilés.
Les formes et la durée de la soutenance dépendent des disciplines : dans les sciences « exactes », la soutenance est courte (45 minutes d'exposé, suivi d'une séance de questions de durée variable) et consiste principalement à résumer et à discuter tout ou partie des méthodes développées et des résultats obtenus; dans les sciences humaines et sociales la soutenance est plus longue (quatre heures environ) et formelle. En général, le président du jury interroge le candidat en dernier. Après délibération, le jury prononce l'admission au grade de docteur ou l'ajournement. Un rapport de soutenance est établi, signé par le président du jury et contresigné par l'ensemble des membres du jury. Le rapport est ensuite transmis au chef de l'établissement de soutenance qui, sur proposition conforme du jury, fait établir le diplôme de docteur. Celui-ci est signé par le chef d'établissement et le recteur-chancelier de l'académie (si le chef d'établissement ne dispose pas de la délégation de signature de son ministre de tutelle) et délivré par l'établissement dans les six mois suivant la soutenance. Si le jury a demandé l'introduction de corrections dans la thèse, le nouveau docteur dispose d'un délai de trois mois pour déposer sa thèse corrigée.
L'autorisation de soutenance donne généralement la quasi-certitude que le candidat sera admis, celle-ci n'étant donnée que si la thèse est « mûre ». Il s'agit plutôt d'une reconnaissance de la valeur du travail effectué et d'une intronisation. Il arrive exceptionnellement que le candidat ne soit pas admis à l'issue de la soutenance, mais c'est souvent en raison de dissensions entre le directeur de thèse et un des membres du jury. En cas d'admission, il y a d'ordinaire attribution de l’une des mentions suivantes : honorable, très honorable, très honorable avec félicitations (arrêté du 7 août 2006, art. 20), mais ces mentions sont indicatives et un établissement peut choisir de ne donner aucune mention. De plus dans le domaine médical des médailles peuvent être décernées (bronze, argent ou or). Celles-ci sont décernées en fonction de la qualité de la thèse mais aussi du cursus (spécialité) suivi. Les médailles d'or restent exceptionnelles.
Le domaine de la recherche étant normalement un domaine d'innovation, le sujet fait l'objet d'une prospective orientée qui peut ne pas aboutir. Cela ne marque pas l'échec de la thèse, l'important devant être que le doctorant ait mené une démarche de chercheur et qu'il ait fait progresser les connaissances et la réflexion sur le sujet.
La soutenance de thèse est souvent suivie d'une collation (pot de thèse). Mais cela est plus traditionnel qu'obligatoire.