肽和抗体片段的展示是通过偶联到丝状噬菌体M13的次要外壳蛋白pIII来呈递所需分子。pIII蛋白位于噬菌体衣壳的一端，由三个功能自主结构域（D1、D2和D3）组成，通过富含甘氨酸的连接体连接。在革兰氏阴性菌感染期间，N末端的D1结构域负责将病毒DNA易位到宿主细胞质中。D2结构域与细菌F-Pilus结合，并在感染过程中发挥核心作用。C末端D3结构域是组装稳定衣壳所必需的，也是噬菌体产生的先决条件。在大多数噬菌体展示载体中，pIII蛋白缺失D1和D2结构域，导致感染性降低的噬菌体颗粒。

通过化学合成随机合成12聚肽寡核苷酸片段，插入噬菌体载体壳蛋白编码基因，通过基因工程重组技术转化大肠杆菌。将一个随机的12聚肽与M13噬菌体次要外壳蛋白（pIII）融合，形成一个组合文库。增殖生成的噬菌体表面携带外源肽，每个噬菌体表面表达一种外源肽。所有这些噬菌体构成了一个预制的随机肽库。噬菌体包含噬菌体和细菌复制起源，噬菌体包装信号，可选择的标记基因和所选择的外壳蛋白基因融合它的使用使载体易于制备和维护，高产量的dsDNA和更好的转化率。为了组装功能性噬菌体颗粒，与辅助者共同感染需要噬菌体（例如，M13K07）。噬菌体编码的基因型和显示的表型之间的物理联系是因为辅助噬菌体有一个复制的起点和一个包装蛋白功能降低的信号。因此，噬菌体载体被有利地整合到新的病毒颗粒中，而不是辅助噬菌体基因组。为了多价显示的目的，需要替代的辅助噬菌体，如超噬菌体。

利用客户提供的目标分子，从整个预制的噬菌体随机12肽文库中经过筛选、扩增和选择步骤，获得能与目标分子高亲和力结合的噬菌体克隆。通过测定该噬菌体的DNA序列，就可以知道该噬菌体所携带肽的氨基酸序列。

噬菌体肽库筛选总的指导思想是利用有些生物大分子之间存在着不同大小的亲和力，以生物大分子为靶目标，通过直接或多轮筛选可以从肽库中筛选得到相应的且具有特定亲和力的结合肽。噬菌体肽库筛选方法一般采用生物学筛选技术，又称为生物淘洗(biopanning)，即利用生物操作方法从噬菌体随机肽库中筛选出所需的噬菌体肽。筛选方法可以因筛选靶目标的性质、筛选的规模而不同，并且与操作人员的习惯有关。

经典的筛选方法主要分为固相筛选法和液相筛选法。固相筛选是将抗原包被于固相有机介质（例如酶标板、有机膜或免疫管）上，通过将抗原与肽库共同孵育，特异性噬菌体肽可以与抗原结合。其优点是在单位面积载体上可吸附更多目标蛋白。但固相筛选法的缺点是在固定过程中靶分子（尤其是构象不稳定的靶分子）容易发生构象改变。液相筛选法正是针对这一问题而发展起来的，通常是将生物素标记目标分子，在溶液中与肽库混合并发生相互作用，然后将混合物加至固相化的亲和素中，通过生物素与亲和素的结合，达到富集高亲和力噬菌体肽的目的。

通过筛选噬菌体展示的随机肽文库开发的两种药物是聚乙二醇化促红细胞生成素受体激动剂聚乙二醇苷肽(Hematide, Affymax)和Fc融合的血小板生成素受体激动剂romiplostim (Nplate, Amgen)。另外两种药物，抗TNF-α抗体阿达木单抗（adalimumab）和血浆蛋白酶激肽（kallikrein）的小蛋白抑制剂ecallantide，已经利用噬菌体展示技术开发出来，使该技术与药物发现领域的其他成熟方法并立。