Generelle Zielsetzung des PISA-Projekts ist es, OECD-Ländern Indikatoren für Wissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten von 15-jährigen Schülern in den Bereichen Lesekompetenz, Mathematik und Naturwissenschaften auf einer verlässlichen und national repräsentativen Basis in Zeitreihe zur Verfügung zu stellen. Das Erhebungsprogramm ist so angelegt, dass neben einem curricularen Kern auch bereichsübergreifende Basiskompetenzen (Cross-Curricular Competencies) erfasst werden. Die Erhebungen werden, beginnend mit dem Jahr 2000, alle drei Jahre mit jeweils wechselnden thematischen Schwerpunkten organisiert.

Im Jahr 2000 wurden die Bereiche Lesekompetenz, Mathematik und Naturwissenschaften erfasst. Die Hauptkomponente bildete Lesekompetenz. Anknüpfend an pragmatische Entwürfe, die für frühere internationale Studien (z.B. die Reading Literacy-Studie der IEA, das International Adult Literacy Survey) entwickelt wurden, wurde eine breite Palette von Lesesituationen angesprochen. Die Konzeption der internationalen Expertengruppe sah vor, in den Testaufgaben unterschiedliche schulische und außerschulische Kontexte, verschiedene – durchweg authentisch zu gestaltende – Textsorten (darunter z.B. auch Tabellen und Diagramme) sowie abgestufte Anforderungen (vom Extrahieren einzelner Informationen bis zur kritischen Kommentierung) abzubilden. Neben kognitiven Leistungen wurden auch lesebezogene Einstellungen erfasst.

Die Leistungserhebung in den Bereichen Mathematik und Naturwissenschaften war im ersten Zyklus eine Nebenkomponente. Für diese Bereiche wurde unter anderem auf Testaufgaben, die im Rahmen von TIMSS entwickelt wurden, zurückgegriffen. Um jedoch Begrenzungen des in TIMSS gewählten Ansatzes zu vermeiden und die Testentwicklung der späteren Zyklen vorzustrukturieren, wurde eine neue Rahmenkonzeption für diese Fächer entwickelt. Insbesondere wurden innerhalb von PISA im stärkeren Maße Aufgaben berücksichtigt, die in persönlich oder kulturell relevante Kontexte eingebettet sind.

In allen drei Bereichen wurden neben curricular definierten Inhalten vor allem außercurriculare Komponenten erfasst. Diese Forderung spiegelt sich unter anderem im Konzept der "Literacy" wider, das den Rahmenkonzeptionen für die Bereiche Lesen, Mathematik und Naturwissenschaften zugrunde liegt. Hinter diesem Konzept verbirgt sich der Anspruch, über die Messung von Schulwissen hinauszugehen und die Fähigkeit zu erfassen, bereichsspezifisches Wissen und bereichsspezifische Fertigkeiten zur Bewältigung von authentischen Problemen einzusetzen. Diesem Anspruch entsprechend bezogen sich die meisten PISA-Aufgaben auf außerfachliche Anwendungskontexte.

Zusätzlich wurden innerhalb von PISA mit Hilfe spezieller Instrumente sogenannte Cross-Curricular Competencies – fachübergreifende Qualifikationen – erhoben. Im ersten Zyklus wurde ein Fragebogen eingesetzt, der wichtige Voraussetzungen für selbständiges und kooperatives Lernen (Interessen, Lernstrategien usw.) erfasste. Im zweiten Zyklus (Erhebung im Jahr 2003) sollen dann neue Verfahren zur Diagnose von fachunabhängigem Problemlösen eingesetzt werden, an deren Entwicklung gegenwärtig eine Expertengruppe der OECD arbeitet.

Ein weiteres Ziel des Projekts ist die Aufklärung der ökonomischen, sozialen und pädagogischen Bedingungen, die für Leistungsunterschiede zwischen und in den einzelnen Ländern verantwortlich sind. Die Befunde zum Zusammenhang der Leistungen mit den Kontextbedingungen sollen den Bildungspolitikern der beteiligten Länder Anregungen zur Reform ihrer Schulsysteme geben. Die Schulsysteme der Länder und ihre politische, ökonomische, kulturelle und soziale Einbettung werden anhand von Dokumenten wie Gesetzen, Verordnungen, Sekundärstatistiken usw. untersucht. Für ihre Beschreibung stehen außerdem Daten zur Verfügung, die in anderen Netzwerken des OECD-Projekts INES (International Education Indicators) in regelmäßigen Abständen erhoben werden. Die konkreten Bedingungen, unter denen die einzelnen Schulen ihre Aufgaben erfüllen, werden mit Hilfe von Schüler- und Schulleiterfragebögen erfasst, die speziell für PISA entwickelt worden sind. Im Zentrum der Schülerbefragung stehen die sozioökonomischen und die soziokulturellen Bedingungen, unter denen die Schüler aufwachsen und lernen, Bedingungen, die nicht nur von großer Bedeutung für deren individuelle Lernerfolge sind sondern auch Einfluss darauf haben, welches Leistungsniveau einzelne Schulen erreichen können. Schwerpunkte der Schulleiterbefragung sind Merkmale der Schulqualität, d.h. die räumlichen, sachlichen und personellen Voraussetzungen und die von den Schulen ergriffenen Maßnahmen zur Förderung von Schülern.