La pratique de la neuropathologie moderne repose essentiellement sur l'examen au microscope de spécimens de tissus nerveux prélevés chirurgicalement chez un patient : il peut s'agir de biopsies cérébrales ou de lésions médullaires détectées par les techniques d'imagerie médicale. Il peut aussi s'agir de biopsies de nerfs périphériques ou de biopsies musculaires. Plus rarement qu'au XIXe siècle, la neuropathologie peut encore avoir recours à l'autopsie pour établir un diagnostic post-mortem.
Les échantillons prélevés sont fixés et inclus dans des blocs de paraffine, puis coupés en fines lamelles au microtome.On utilise largement en première intention les colorations simples comme celles à l'hématoxyline-éosine (HE). Lorsqu'un diagnostic rapide est nécessaire, par exemple au cours d'une intervention chirurgicale sur une tumeur (diagnostic extemporané), les fragments prélevés par le neurochirurgien sont congelés et découpés à l'aide d'un cryotome. On a largement recours aux techniques d'immunofluorescence directe qui utilisent des anticorps dirigés contre différents antigènes tumoraux.
La neuropathologie utilise traditionnellement l'imprégnation métallique pour visualiser les cellules nerveuses en microscopie optique. Les techniques d'imprégnation argentique selon Golgi ou del Río Hortega se sont avérées particulièrement précises.