Le repérage se fait le plus souvent par des systèmes infrarouges (caméras, cadres ou marqueurs fixés sur le patient). Les outils chirurgicaux sont équipés de diodes repérées par des caméras infrarouges qui suivent la pointe de l'instrument dans ses déplacements. Ce repérage par des diodes infrarouges autorise la mise en correspondance entre l'image et le malade. L'orthopédiste va identifier avec une précision millimétrique le point idéal pour la pose d'une vis d'ostéosynthèse dans une vertèbre, le plan du cartilage de croissance chez un enfant devant être opéré pour une déformation du genou (genu valgum), ce qui évitera la réalisation des nombreuses radiographies au cours de l'intervention (jusqu'à une vingtaine), ou bien encore le volume osseux à enlever ou à ajouter. Ces fonctions peuvent, bien entendu, servir à la formation de chirurgiens.

Pendant l'opération elle-même, la CAO autorise la navigation chirurgicale. L'opérateur est assis à sa console, la tête dans une sorte de cockpit, les yeux collés au système de visualisation binoculaire en 3D (ajoutant la profondeur aux images traditionnelles de l'endoscopie). Ses mains commandent les « joysticks » qui transmettent ses gestes aux instruments du robot. Le joystick peut être réglé pour démultiplier les mouvements de la main. Le tout étant géré par l'ordinateur avec des filtres pour éliminer les tremblements, les mouvements parasites ou aberrants. Un geste trop brusque, par exemple la main de l'opérateur qui glisse, sera analysé comme indésirable par l'ordinateur et ne sera pas transmis aux instruments en place.

Dans son rapport d'étape de mai 2002, l'ANAES analysait les données expérimentales actuellement disponibles sur la CAO. Du point de vue du chirurgien, les avantages potentiels sont doubles. D'un point de vue thérapeutique, ce sont la réduction du tremblement et de la fatigue, la plus grande précision du geste, le traitement informatisé de l'image et le fait d'avoir une image en 3D nette pendant toute l'intervention, la fiabilité plus importante du système et la meilleure précision du positionnement des prothèses. Les autres avantages sont « éducationnels » : « formation des chirurgiens à des techniques opératoires complexes et planification précise d'interventions chirurgicales délicates ». « Cette amélioration potentielle du geste chirurgical serait susceptible de profiter aux patients », précise l'ANAES. L'Agence cite plusieurs limitations, soit liées aux difficultés propres à chaque discipline chirurgicale, soit « d'ordre plus général : temps d'installation du système, nécessaire mise à jour des logiciels, formation des équipes chirurgicales ». Bien entendu, « la complexité et l'encombrement des systèmes robotisés obligent à repenser les gestes chirurgicaux et l'aménagement des salles d'opération », ajoute l'ANAES. À cela s'ajoutent des limites financières. Au CHU de Nancy, les comptes ont été faits : 1,22 million d'euros pour le seul robot da Vinci, 230 000 euros pour la salle d'opération qui lui est dédiée, 137 000 euros de maintenance annuelle et 230 000 euros de surcoûts de consommables annuels. Un facteur qui freine l'accès à cette technologie et sa diffusion.

Néanmoins, l'ANAES estime qu'il faut encourager la recherche clinique sur la CAO et qu'elle doit elle-même assurer une veille scientifique sur cette technique. Au niveau de l'État, Roger-Gérard Schwartzenberg, ministre de la Recherche, avait installé en 2000 un Réseau national des technologies pour la santé (RNTS), qui a inclus les recherches sur la CAO dans son appel à projets.