Siirtoleikkauksen aikana sairas tai heikentynyt elin poistetaan yleensä potilaan kehosta ja korvataan terveellä elimellä. Veren virtauksen varmistamiseksi uuteen elimeen kirurgien on liitettävä potilaan verisuonet siihen. Joissakin tapauksissa kirurgit yhdistävät myös muut kehon rakenteet uuteen elimeen. Esimerkiksi virtsajohtimet, jotka kuljettavat virtsaa munuaisista virtsarakkoon, yhdistetään myös uusiin munuaisiin munuaisensiirto -operaatiossa.
Ennen elinsiirtoleikkauksen aloittamista lääkintäryhmä yleensä toteuttaa toimenpiteet potilaan valmistamiseksi leikkaukseen. Yleensä tähän sisältyy potilaan anestesian antaminen, jotta hän pysyy tajuttomana leikkauksen aikana, sekä puhdistetaan ja ajetaan se ruumiinosa, johon elin siirretään. Lääketieteellinen ryhmä lisää myös laskimonsisäisen (IV) putken potilaan käsivarteen ja käyttää sitä lääkkeen antamiseen, joka estää potilaan veren hyytymisen leikkauksen aikana.
Siirron suorittamiseksi lääkärit luovat viillon, jonka kautta he voivat päästä kehoon ja irrottaa elimen verisuonista ja muista rakenteista, joihin se on kytketty. Joissakin tapauksissa on tarpeen muuttaa tai siirtää muita kehon rakenteita päästäkseen kyseiseen elimeen. Esimerkiksi kirurgien on sahattava henkilön rintaluu ja siirrettävä kylkiluut sydämensiirron suorittamiseksi. Kun sairas tai toimimaton elin on poistettu, kirurgit kiinnittävät siihen verisuonet ja muut tärkeät sisärakenteet ennen potilaan viillon sulkemista.
Useimmissa tapauksissa kirurgien on suoritettava muita toimenpiteitä varmistaakseen, että elinsiirto toimii, ennen kuin he päättävät leikkauksen ja ompelevat viillon. Esimerkiksi sydämensiirtoleikkauksessa kirurgit yleensä lämmittävät potilaan verta yrittäen rohkaista sydäntä aloittamaan spontaanin lyönnin. Tämä ei kuitenkaan aina toimi. Kun se ei toimi suunnitellusti, lääkärit käyttävät tyypillisesti sähköiskua siirretyn sydämen käynnistämiseksi.
Riippuen kyseessä olevasta elinsiirron tyypistä, kirurgit käyttävät erilaisia tekniikoita tukemaan potilaan elämää elinsiirtoleikkauksen aikana. Esimerkiksi kirurgit asettavat yleensä putken potilaan henkitorveen hengityksen ylläpitämiseksi leikkauksen aikana. Kirurgit voivat myös syöttää putken potilaan nenään tyhjentääkseen vatsan leikkauksen aikana ja toipumisen ensimmäisinä päivinä. Katetri asetetaan usein potilaan virtsarakkoon virtsaputken kautta virtsan tyhjentämisen helpottamiseksi leikkauksen aikana ja leikkauksen jälkeisen toipumisen ensimmäisten päivien aikana. Kirurgit voivat myös käyttää putkia veren tyhjentämiseen elinsiirtopaikan ympäriltä; nämä pysyvät usein paikallaan noin viikon leikkauksen jälkeen.