Bei PISA 2006 wurden drei Stichproben von Schülerinnen und Schülern untersucht, die nachfolgend beschrieben werden:

1. Die Stichprobe für den internationalen Vergleich (PISA-I) setzt sich aus 4891 Fünfzehnjährigen aus 225 Schulen zusammen. Die Daten für den internationalen Vergleich wurden am ersten Testtag erhoben.
2. An diesen 225 Schulen wurden ferner jeweils zwei vollständige Klassen der 9. Jahrgangsstufe getestet (PISA-BS). Auf diese Weise können schul- und klassenspezifische Effekte untersucht werden. Insgesamt umfasst die Stichprobe PISA-BS 9577 Schülerinnen und Schüler. Den Schülerinnen und Schülern der Stichproben PISA-I und PISA-BS wurden in Deutschland am zweiten Testtag Aufgaben vorgelegt, die der Überprüfung der durch die Bildungsstandards in Mathematik für den Mittleren Schulabschluss gestellten Anforderungen dienen.
3. Um einen Ländervergleich innerhalb Deutschlands zu ermöglichen, wurde ferner eine nationale Ergänzungsstichprobe (PISA-E) gezogen, bei der ca. 49.000 Fünfzehnjährige und Schülerinnen und Schüler der 9. Jahrgangsstufe aus 1.307 zusätzlichen Schulen getestet wurden. Diesen Schülerinnen und Schülern wurden nur PISA-Aufgaben an einem Testtag vorgegeben und keine Aufgaben zu den Bildungsstandards.

Die PISA-I-Stichprobe, die Jahrgangsklassenstichprobe PISA-BS und die PISA-E-Stichprobe überschneiden sich. Die Schülerinnen und Schüler aus PISA-I sind alle in der Stichprobe PISA-E enthalten. Aus diesem Grund gehen die PISA-I-Schulen auch in den Ländervergleich mit ein, wie in unten stehender Abbildung gezeigt wird.

Die Ziehung der Stichproben für PISA-I erfolgte in allen teilnehmenden Staaten 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. Dabei sind in Deutschland alle Schularten vertreten, die fünfzehnjährige Schülerinnen und Schüler aufnehmen (Gymnasien, Realschulen, Hauptschulen, Schulen mit mehreren Bildungsgängen, Integrierte Gesamtschulen, Sonder- und Förderschulen, Berufsschulen, Schulen in privater Trägerschaft). Weiterführende Angaben zur Stichprobenziehung sind dem Bericht zum internationalen Vergleich von PISA 2006 zu entnehmen.