เป้าหมายสำคัญอย่างแรกของคณะผู้ตรวจสอบของ OPCW คือ การเก็บตัวอย่างไม่ว่าจะเป็นสภาพแวดล้อม เช่น ดิน หรือตัวอย่างทางชีวการแพทย์ เช่น เลือด จากตัวผู้เคราะห์ร้าย หรือจุดเกิดเหตุ เมื่อเก็บตัวอย่างได้แล้ว ก็จะส่งไปยังห้องปฏิบัติการของ OPCW ที่ประเทศเนเธอร์แลนด์ ซึ่งจะแบ่งออกไปให้ห้องปฏิบัติการอิสระที่เป็นสมาชิกของ OPCW ตรวจสอบควบคู่กัน สูงสุดถึง 4 แห่ง โดยขณะที่แจกจ่ายตัวอย่าง เจ้าหน้าที่ของ OPCW จะต้องอยู่ด้วยและเป็นผู้ถือตัวอย่างเสมอ ที่ผ่านมา OPCW ได้ทำงานร่วมกับเจ้าหน้าที่แพทย์จากองค์การอนามัยโลก หรือ WHO ซึ่งจะส่งตัวอย่างจากเหยื่อและผู้อยู่ในเหตุการณ์ โดยกรณีของเมืองดูมานี้ก็เช่นกัน OPCW จะประสานขอตัวอย่างจาก WHO ซึ่งอาจเป็นตัวอย่างเลือด ปัสสาวะ หรือเนื้อเยื่อ เป็นต้น
อย่างไรก็ตาม กว่าที่จะสามารถเก็บตัวอย่างทางสภาพแวดล้อมในเมืองดูมาได้ เวลาก็ผ่านไปเกิน 1 สัปดาห์แล้ว นับตั้งแต่ที่มีรายงานเหตุโจมตีด้วยอาวุธเคมี ด้วยเหตุนี้ การเก็บหลักฐานจึงยากมากกว่าการเก็บหลักฐาน ณ จุดเกิดเหตุอาชญากรรมทั่วๆ ไป ที่ปกติเจ้าหน้าที่มักจะไปถึงภายในไม่กี่ชั่วโมง โดยเจ้าหน้าที่ OPCW จะต้องทำงานแข่งกับเวลาเพื่อรวบรวมตัวอย่างของคลอรีนและซารีน สารเคมีสองชนิดที่พบว่าเคยถูกใช้ในสงครามกลางเมืองซีเรียมาก่อน รวมถึงสารพิษอื่นๆ ในส่วนของคลอรีน เป็นสารเคมีที่สลายตัวได้รวดเร็วมาก ซึ่งในหลายกรณี ไม่สามารถตรวจพบได้แม้จะผ่านไปเพียง 1 วัน ขณะที่สารเคมีอื่นๆ เช่น ซาริน อาจใช้เวลาหลายวัน หรือเป็นสัปดาห์ กว่าที่จะสลายตัวจนหมด นอกจากร่องรอยของก๊าซพิษแล้ว คณะผู้ตรวจสอบก็จะมองหาหลักฐานอื่นๆ ด้วย เช่น กระป๋อง ชิ้นส่วนจรวดหรือระเบิด จุดตก และหลุมระเบิด ซึ่งทั้งหมดนี้มักจะมีร่องรอยของสารเคมีหลงเหลืออยู่
ขณะเดียวกัน เจ้าหน้าที่ OPCW ก็จะสอบถามผู้อยู่ในเหตุการณ์ ซึ่งมีหลายคนที่บอกว่าได้ยินเสียงระเบิดถังตกลงมาจากท้องฟ้า โดยระเบิดถังเหล่านี้เคยถูกใช้อย่างแพร่หลายในสงครามซีเรีย โดยบางถังจะบรรจุกระป๋องก๊าซคลอรีนและดินระเบิด ซึ่งหากตรวจพบ ก็อาจเป็นหลักฐานที่แสดงว่ามีการโจมตีด้วยอาวุธเคมีได้ นอกจากนี้ เจ้าหน้าที่ OPCW จะสัมภาษณ์เจ้าหน้าที่ที่ดูแลช่วยเหลือเบื้องต้น ผู้รอดชีวิต ทีมแพทย์ที่ให้การรักษาผู้ได้รับบาดเจ็บและพยานคนอื่นๆ เพื่อที่จะได้ทราบว่าบุคคลเหล่านี้มีอาการที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีหรือไม่ เช่น หายใจไม่ออก น้ำลายฟูมปาก ม่านตาดำหดตัว ชักเกร็ง และปัสสาวะหรือถ่ายอุจจาระโดยควบคุมไม่ได้
ขณะที่อุปสรรคสำคัญในการเข้าตรวจสอบพื้นที่ของคณะเจ้าหน้าที่ OPCW ก็คือความปลอดภัย เพราะแม้ว่าการสู้รบระหว่างกองทัพรัฐบาลซีเรียและกลุ่มกบฏในเมืองดูมา จะยุติลงแล้ว แต่ก็ยังถือว่ามีความเสี่ยงอยู่ เนื่องจากก่อนหน้านี้ คณะผู้ตรวจสอบ OPCW เคยถูกโจมตีมาแล้ว 2 ครั้ง ขณะพยายามเข้าไปยังจุดที่มีการใช้อาวุธเคมีในซีเรีย ครั้งแรกเกิดขึ้นเมื่อเดือนสิงหาคม ปี 2013 คณะผู้ตรวจสอบถูกซุ่มยิงใกล้เขตกูตาตะวันออก ที่ซึ่งพลเมืองหลายร้อยคนถูกสังหารด้วยแก๊สซาริน ขณะที่ครั้งที่สองเกิดขึ้นเมื่อเดือนพฤษภาคม ปี 2014 ขบวนรถของคณะผู้ตรวจสอบถูกโจมตีด้วยระเบิดและปืนกล ระหว่างที่กำลังเดินทางไปตรวจสอบเหตุใช้สารคลอรีนโจมตีหมู่บ้านคาฟร์ ซิตา (Kafr Zita) ในเมืองฮามา (Hama) และถูกจับตัวเป็นช่วงเวลาสั้นๆ โดยทั้งสองเหตุการณ์ไม่มีเจ้าหน้าที่ได้รับบาดเจ็บสาหัส แต่ก็ไม่สามารถระบุตัวผู้ก่อเหตุได้เช่นกัน