Im Gegensatz zum Keimnachweis im mikrobiologischen Labor werden die Infektionskrankheiten hier meist über den Nachweis von spezifischen Antikörpern nachgewiesen, die der Organismus bei Infektion gegen den Erreger bildet. Dies erlaubt insbesondere den Nachweis einer Infektion mit nicht oder nur schwer anzüchtbaren Erregern, wie z.B. Treponemen, Borrelien oder atypischen Pneumonieerregern. Mitunter werden während der Erkrankung auch spezielle Bestandteile der Krankheitserreger (Toxine, Proteine u.a.) freigesetzt. Diese werden im Labor ebenfalls nachgewiesen.
In der Infektionsserologie werden mehr als 50 Parameter von über 20 verschiedenen Infektionserregern bestimmt. Das Spektrum der zum Antikörpernachweis eingesetzten Verfahren umfasst hauptsächlich qualitative und quantitative Enzymimmunoassays, Immunoblots und Hämagglutinationsteste. Seltener werden noch Latexagglutination, Immun-fluoreszenztechniken und Komplementbindungsreaktion angewandt; diese Methoden lassen sich teilweise automatisieren, viele Analysen werden jedoch manuell abgearbeitet.
Mit wenigen Ausnahmen wird stets eine zweistufige Diagnostik mit Screening- und Bestätigungstest durch ein anderes Testverfahren durchgeführt. Die Ermittlung von Antikörperindices bei ZNS-Infektionen bildet hierbei einen weiteren Schwerpunkt der Diagnostik. Als Untersuchungsmaterialien werden meist Serum, aber auch Liquor, Urin, Stuhl und Materialien aus dem Respirationstrakt eingesetzt.

