Der Vorgang der Tätowierung besteht grundsätzlich in einer Punktierung der Haut, wobei gleichzeitig mit dem Durchstechen ein Farbstoff in die Haut eingebracht wird. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Stich weder zu oberflächlich noch zu tief angebracht wird. Im ersten Fall würde der eingelagerte Farbstoff lediglich in die Zelllagen der Epidermis eingebracht werden. Dies hätte zur Folge, dass bei der fortwährenden Erneuerung dieser Hautschicht ein Abwachsen und eine Abstoßung der Farbteilchen nach außen gleichzeitig mit den Epidermiszelllagen erfolgen würde. Im zweiten Fall, wenn also der Stich zu tief in die Haut vorgenommen wird, kommt es durch die auftretenden Blutungen zu einem Auswaschen der Farben. Dauerhaft haltbar sind diejenigen Farbpigmente, die in der mittleren Hautschicht (Dermis) und zwar im Zelltyp der Fibroblasten eingelagert sind.
Die im Westen gebräuchlichste Methode ist das Arbeiten mit einer elektrischen Tätowiermaschine. Hier wird z. B. mit Hilfe zweier Spulen ein Magnetfeld erzeugt, das eine Anzahl feiner, an eine Stange gelöteter Nadeln schnell vor- und rückwärts bewegt. Eine weitere Tätowiermaschine arbeitet mit einem Elektromotor, der über einen Exzenter die Auf- und Abwärtsbewegung erzeugt. Diese Maschinenart wurde um 1970 von den Tätowierern Horst H. „Samy“ Streckenbach und Manfred Kohrs entwickelt und gebaut.
Die Geschwindigkeit ist abhängig von der Tätowiermaschine, der Technik und dem gewünschtem Effekt, z. B. Linien oder Schattierungen, liegt aber zwischen ca. 800 bis 7.500 Bewegungen pro Minute. Die Tinte hält sich dank einer Kapillarwirkung zwischen den Nadeln und wird durch die Schnelligkeit der Bewegung ähnlich leicht in die Haut gebracht wie beim Zeichnen mit einem Stift auf Papier. Die Haut wird mit der einen Hand unter Spannung gehalten, die andere Hand bringt das Bild ein.
Zu Beginn des Tätowierprozesses werden normalerweise die Umrisse, sogenannte Outlines, mit einer dünnen Nadel in schwarzer Farbe gestochen, in einem zweiten Schritt werden diese mit Farbe gefüllt. Zum Füllen werden je nach Feinheit der Muster Nadeln unterschiedlicher Dicke verwendet.
Es existieren weitere Möglichkeiten, dauerhafte Hautzeichnungen herzustellen, beispielsweise das Einschneiden der Haut und ein Einreiben der Wunde mit Tinte, Asche oder sonstigen farbgebenden Stoffen (s.g. Cutting), oder das Tätowieren mit Nadel und Faden, bei dem eine mit Faden umwickelte Nähnadel in Tinte getaucht und dann in die Haut gestochen wird. Zurück bleiben hierbei die typischen sogenannten Knast-Tattoos – unter der Haut verlaufene Tintenkleckse formen die berühmten drei Punkte, Tränen, Namenszüge oder primitive Bildchen. Österreichische Soldaten und gemeine Soldaten tätowieren sich im 19. Jahrhundert mit Einschnitten von "Namens-Chiffern" oder Kreuzeszeichen, als Färbemittel diente Schießpulver.
Bei den Völkern Polynesiens war ein Tätowierkamm gebräuchlich, der aus verschiedenen Pflanzenteilen oder Knochen hergestellt wurde und an einem langen Stab befestigt war. Die Spitzen des Kammes wurden durch rhythmisches Schlagen auf den Griff in die Haut getrieben, wo sie eine Tinte aus Wasser und Asche oder verbrannten Nüssen einbrachten. Diese Kämme gab es in unterschiedlichen Breiten, sie hinterließen aber immer Linien, niemals Punkte.
Die Irezumi genannten traditionellen japanischen Tätowierungen werden auch heute noch häufig manuell gefertigt, obwohl sich westliche Tätowiermaschinen auch in Japan längst großer Beliebtheit erfreuen. Hierzu dienen Nadeln, die, wie bei einem Pinsel, an langen Bambusgriffen befestigt sind. Diese Technik erfordert sehr viel Übung, erlaubt aber dem Meister durch Variation in der Tiefe des Stiches Tätowierungen mit großer Präzision und Kontrolle herzustellen.
Die Inuit hingegen zogen mit Farbe getränkte Fäden oder Sehnen unter der Haut hindurch, um eine dauerhafte Zeichnung zu erhalten.
Neben der (gewünschten) Schmucktätowierung wird auch das (unerwünschte) Eindringen von gefärbten Partikeln in das Bindegewebe der Haut in der Medizin als Tätowierung bezeichnet – als Schmutztätowierung.
Ursachen sind meist Unfälle mit Feuerwerkskörpern, Pulverschmauchverletzungen und Straßenunfälle. Aber auch beim Sturz eines Fußballspielers „auf Asche“ mit Schürfwunde können färbende Partikel unter die Haut gelangen. Metallsplitter in der Haut verursachen eine Braunfärbung (Siderose). Bei Bergleuten kommen Schmutztätowierungen mit Kohlestaub vor.
Während in den ersten 72 Stunden Schmutzpartikel noch durch Ausbürsten meist ohne kosmetische Folgen entfernt werden können, muss später meist eine Stanzexzision durchgeführt werden.
Beim Tätowieren müssen strenge Hygienevorschriften eingehalten werden. Diese werden nicht immer kontrolliert, deshalb ist eine gewisse Vorsicht ratsam. Es kann zu HIV-, Hepatitis- und diversen anderen Infektionen kommen. In Holland, der Schweiz und Österreich unterliegen Tätowierstudios strengen Auflagen und Kontrollen, was der allgemeinen gesundheitlichen Sicherheit in diesem Bereich sehr zuträglich war. Inzwischen werden dort die Eingriffe, Sterilisationsvorgänge, Reinigungen und Desinfektionsmaßnahmen schriftlich dokumentiert. In Österreich ist seit dem Jahr 2003 die jährliche Erbringung eines Unbedenklichkeitsnachweises durch ein akkreditiertes Institut gesetzlich vorgeschrieben. (Siehe Bundesgesetzblatt 141/ 2003)
Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Teil der Farbstoffe aus der Dermis in andere Bereiche des Körpers fortgetragen wird. Da es, im Gegensatz zu Kosmetika, für die verwendeten Farben kaum gesetzliche Vorschriften gibt, enthalten diese oft zum Beispiel Schwermetallverbindungen als Pigment. Außerdem gelten insbesondere Azo-Farben als problematisch, da sie unter Einwirkung von UV-Licht in gesundheitsschädliche Stoffe wie Azelenhydrochlorid oder verschiedene Kohlenwasserstoffe (beides Zellgifte) zerfallen. Inzwischen benutzt jeder gewissenhafte Tätowierer nur Farben, bei denen vom Hersteller ein entsprechendes Prüfzertifikat (etwa vom CTL Bielefeld) mitgeliefert wird, daher sollten die Gefahren in dieser Richtung weitgehend behoben sein.
Bei der Entfernung von Tätowierungen mittels Laser-Behandlung können aus den verwendeten Farbpigmenten, insbesondere aus den häufig verwendeten roten Farbpigmenten Pigment Red 22 und Pigment Red 9 krebserregende Substanzen, wie beispielsweise 2-Methyl-5-nitroanilin, entstehen.