Ziel der Mathematik-Komponente bei PISA war es zu untersuchen, in welchem Maße Fünfzehnjährige über "Mathematical Literacy" bzw. "Mathematische Grundbildung" verfügen. Unter "mathematischer Grundbildung" wird hier ein Komplex verstanden, der sich — differenziert je nach Bildungsgang — aus mathematischem Basiswissen (Fakten und Fertigkeiten), mathematischen Vorstellungen und mathematischen Fähigkeiten (wie z. B. mathematisches Modellieren, mathematisches Argumentieren, Begründen und Beweisen oder Repräsentieren mathematischer Gegenstände) zusammensetzt. Das Verfügen über mathematische Grundbildung zeigt sich beim verständigen Umgehen mit Mathematik in inner- und außermathematischen Problemsituationen und speziell beim Lösen von Aufgaben. Der Begriff mathematische Grundbildung wird etwas weiter gefasst als der Begriff "Mathematical Literacy", welcher dem internationalen Teil zugrunde lag. Dort ging es vorwiegend um die Verwendung von Mathematik als Werkzeug für außermathematische Probleme; Genaueres siehe im internationalen Mathematik-Framework. Einen guten Überblick über die Mathematikkomponente bei PISA gibt auch der Artikel der deutschen PISA-Expertengruppe (N. Knoche et al.): Die PISA-2000-Studie, einige Ergebnisse und Analysen.

Nicht nur in einem Test wird "Literacy"/"Grundbildung" durch das Lösen von Aufgaben erfasst. Auch im Mathematikunterricht oder generell beim Lernen von Mathematik spielen Aufgaben die zentrale Rolle. Wichtig war es daher, in einem Literacy-/Grundbildungs-Test für einen hinreichend breiten Bestand an Aufgaben zu sorgen, um aussagekräftige Analysen zu ermöglichen. Wie bei PISA 2000 bewährt, war daher ein Anliegen des nationalen Ergänzungstests in PISA 2003, die internationalen Ansätze so abzurunden, dass die vielfältigen Funktionen und Eigenschaften mathematischer Grundbildung voll abgedeckt waren.

Federführend für Mathematik im deutschen PISA-Konsortium waren Prof. Dr. Werner Blum (Kassel) und Prof. Dr. Michael Neubrand (Oldenburg). Zur Kasseler PISA-Arbeitsgruppe gehörte zudem Alexander Jordan. Zur Oldenburger-PISA-Arbeitsgruppe gehörte zudem Frauke Petersen.

Auf internationaler Ebene gehörte W. Blum als Vice Chair der Mathematics Expert Group für PISA 2003 an, während M. Neubrand deutsches Mitglied im Mathematics Forum war.

Auf nationaler Ebene arbeiteten Arbeitsgruppen aus Kassel und Oldenburg zusammen mit der deutschen PISA-Expertengruppe Mathematik vor allem an der Entwicklung der nationalen Test-Items für PISA 2003. Dabei wurde auch das zugrundeliegende Konzept der mathematischen Grundbildung weiter ausdifferenziert und fortentwickelt, ebenso wie das Instrumentarium zur Analyse und Kategorisierung von Aufgaben, auch als Grundlage der Ergebnisinterpretationen und Schwierigkeitserklärungen.

Die Kasseler Gruppe beschäftigte sich in besonderer Weise mit der Entwicklung von Instrumentarien zur Erfassung von Art und Umfang der beim Bearbeiten von Aufgaben benötigten bzw. von Probanden tatsächlich aktivierten "Grundvorstellungen". Hierbei gab es eine enge Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Rudolf vom Hofe an der Universität Regensburg und von Reinhard Pekrun an der Universität München. Bei den mathematischen Themengebieten war die Kasseler Gruppe primär für Arithmetik, Algebra und Stochastik zuständig.

Die Flensburger Gruppe (später Oldenburg) konzentrierte sich schwerpunktmäßig auf die Geometrie. Bei der Konstruktion von Aufgaben war die Idee leitend, dass insbesondere die Geometrie mit ihrem einzigartigen Facettenreichtum einen zentralen Schlüssel für mathematische Grundbildung darstellt. Daneben wurden aber auch unterschiedliche mathematische oder kognitive Qualitäten in der Aufgabenbearbeitung erfasst.

Ein Kennzeichen von PISA 2003 Mathematik war, Mathematikleistungen im Konzert mit den anderen in PISA untersuchten Bereichen zu sehen. Dazu bestanden Kooperationen mit den anderen fachbezogenen Arbeitsgruppen — Lesen, Naturwissenschaften, Problemlösen — und der für Fragebögen zuständigen Gruppe.