L’étude PISA cible les jeunes de 15 ans, c’est-à-dire une population soit majoritairement scolarisée à temps complet, soit sur le point d’entamer une formation professionnelle - respectivement sur le point d’entrer dans la vie active.
Afin de garantir la représentativité des échantillons de chaque pays participant, l’échantillonnage doit atteindre un ordre de grandeur donné, soit au moins 4500 élèves par pays, répartis sur 150 écoles à raison de 35 élèves par école.
Les pays dont l’échantillonnage n’atteindrait pas cet ordre de grandeur en raison de leur taille sont obligés d’appeler la quasi-totalité des élèves de cette tranche d’âge et de toutes les écoles à participer aux tests. Ceci est le cas pour le Luxembourg, l’Islande ou le Lichtenstein.
Pour ce qui est de tous les autres pays, la sélection des élèves se fait en deux temps : dans un premier temps, on dresse d’abord la liste exhaustive par pays de toutes les écoles qui accueillent des élèves de 15 ans. Un consortium international procède ensuite par tirage au sort à une sélection aléatoire d’au moins 150 écoles. Cette sélection se doit d’être représentative de certaines caractéristiques, comme les différents types d’écoles et ordres d’enseignement.
Dans un second temps et selon les mêmes critères de probabilité, on choisit 35 élèves de 15 ans sur la liste de tous élèves du même âge dans chaque école participante. Les petites écoles qui accueilleraient moins de 35 élèves de 15 ans sont dans l’obligation de soumettre tous leurs élèves de cette tranche d’âge aux tests PISA.
Endéans un cadre très strictement réglementé, les pays jouissent cependant d’une légère marge de manœuvre qui leur permet d’exclure jusqu’à 5% de la population cible. Au Luxembourg, cette exception concerne les élèves de 7e et de 8e du Régime préparatoire ainsi que les élèves des classes d’accueil et les élèves des classes IPDM.
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