Để thụ tinh, một tinh trùng phải xuyên qua lớp vỏ trứng và hoà hợp cùng nhau. Đôi khi, lớp vỏ trứng dày hoặc cứng, hay tinh trùng quá yếu để có thể xuyên qua. Trong trường hợp này, có thể sử dụng ICSI.
Trong kỹ thuật ICSI, chuyên viên phôi học tiêm 1 tinh trùng trực tiếp vào noãn. ICSI được tiến hành cùng thời điểm với TTTON, cho phép chuyên viên phôi học có thể tiêm nhiều noãn cùng lúc. Kỹ thuật này tạo cơ hội có thai tốt hơn trong các trường hợp hiếm muộn nam hay chất lượng noãn kém.