Es gab insgesamt drei Stichproben von Schülerinnen und Schülern, die in Deutschland im Rahmen von PISA 2003 untersucht wurden. Diese waren miteinander verkoppelt und werden im Folgenden ausführlicher beschrieben:
Die drei Stichproben überlappten sich. So sind die Schülerinnen und Schüler aus PISA-I (Stichprobe 1) zu einem Teil in den kompletten 9. Klassen von PISA-I PLUS (Stichprobe 2) enthalten.
Weiterhin sind die Schülerinnen und Schüler aus PISA-I (Stichprobe 1) vollständig in PISA-E (Stichprobe 3) enthalten. Deshalb wurden zunächst in einem Ziehungsverfahren alle PISA-E Schulen ermittelt und daraus die Schulen gezogen, die PISA-I zugeteilt wurden. Aus diesem Grund gingen die PISA-I-Schulen auch in den Ländervergleich mit ein, wie in unten stehender Abbildung gezeigt wird.
Mittels dieser verschiedenen Stichproben fanden folgende Vergleiche statt:
PISA-I diente zum internationalen Vergleich, PISA-E zum Vergleich der Leistungen in den Bundesländern. Mit der PISA-I-PLUS-Studie wurden insbesondere analytische Fragen untersucht, z.B. Bedingungen für den Kompetenzerwerb.
Die Stichprobenziehung in den Teilnehmerstaaten erfolgte nach detaillierten Vorgaben der internationalen Projektleitung. In einem ersten Schritt wurden die Schulen nach einem Zufallsverfahren ausgewählt. Auch die im zweiten Schritt zu treffende Auswahl von Schülerinnen und Schülern innerhalb der gezogenen Schulen erfolgte per Zufall.