病例对照研究以确诊的患有某种特定疾病的病人作为病例，以不患该病但具有可比性的个体作为对照，通过询问、实验室检查或复查病史，搜集既往各种可能的危险因素的暴露史，测量并比较病例组与对照组中各暴露因素中暴露的比例，经统计学检验，该暴露因素与疾病之间是否存在统计学关联，在评估了各种偏倚对研究结果的影响后，再借助病因推断技术，推断出某个或某些因素与疾病的关系，从而达到探索和检验疾病病因假说的目的。若某暴露因素在疾病组的比例高于对照组，则推断该因素为该病的危险因素，反之，则为保护因素。

病例对照研究经典的例子是英国医生于1948～1949年间研究吸烟与肺癌的关系，在伦敦等地区的20家医院选择了已确诊的709名肺癌病人，并选择了709名胃癌、肠癌等非肺癌病人和非癌症病人作为对照。病例与对照是1：1匹配，匹配条件是同性别、年龄在5岁年龄组内、同一个医院或同一就诊时间。通过询问研究对象患病前是否吸烟、吸烟年限、每日吸烟量等信息。研究结果发现，吸烟与肺癌之间存在相关性，且随着吸烟量的增加，肺癌的患病率增加，存在剂量反应关系。

病例对照研究属观察性研究，研究者只是客观搜集既往各种可能的危险因素的暴露史，并不施加任何干预。设立对照组，为病例组提供用作比较的危险因素暴露率。回顾性的，由结果探索病因的研究，是在疾病发生之后去追溯假定病因因素的方法。一般不能确证暴露与疾病的因果关系，病例对照研究收集暴露因素的方法是依据对象回忆或查阅有关记录，而不是按从“因”到“果”的顺序收集暴露与结局，因此发现的“联系”一般不能确定因果联系。