Para interrogar a los reos, la Inquisición hizo uso de la tortura, pero no de forma sistemática. Se aplicó sobre todo contra los sospechosos de judaísmo y protestantismo, especialmente en el siglo xvi. Por poner un ejemplo, H. C. Lea estima que entre 1575 y 1610 fueron torturados en el tribunal de Toledo aproximadamente un tercio de los encausados por herejía.q​ En otros períodos la proporción varió notablemente. La tortura era siempre un medio de obtener la confesión del reo, no un castigo propiamente dicho. Se aplicaba sin distinción de sexo ni edad, incluyendo tanto a niños mayores de 14 años como a ancianos.

Según Joseph Pérez, «como todos los tribunales del Antiguo Régimen, la Inquisición torturaba a los prisioneros para hacerlos confesar, pero mucho menos que los otros, y no por un sentimiento humanitario, porque le repugnara utilizar estos métodos, sino simplemente porque le parecía un procedimiento erróneo y poco eficaz». «Quaestiones sunt fallaces et inefficaces», escribía Eymerich en su Manual de inquisidores. Pérez cita este pasaje del libro del inquisidor medieval catalán:
El tormento no es un medio seguro de conocer la verdad. Hay hombres débiles que, al primer dolor, confiesan incluso los crímenes que no han cometido; en cambio hay otros, más fuertes y obstinados, que soportan los mayores tormentos.
Pérez (2012, pp. 133)
Según la Instrucciones del inquisidor general Fernando de Valdés los inquisidores tienen que asistir a la sesión de tortura, obligación de la que les habían eximido las Instrucciones de Torquemada. Junto a ellos estarán presentes únicamente, el escribano forense y el verdugo. Los nobles y el clero no están exentos como en la justicia ordinaria —«El privilegio que las leyes otorgan a las personas nobles de no poder ser procesadas en las otras causas no ha lugar en materia de herejía», se dice en el Manual de los inquisidores—, y como con el resto de acusados, la decisión de torturar la debía tomar el tribunal al completo, y después de que un médico haya diagnosticado que el reo soportará la prueba. Las instrucciones prohíben que en las sesiones de tortura se mutile al acusado o se derrame sangre.47​

Los procedimientos de tortura más empleados por la Inquisición fueron tres: la «garrucha», la «toca» y el «potro». El tormento de la garrucha consistía en colgar al reo del techo con una polea por medio de una cuerda atada a las muñecas y con pesos atados a los tobillos, ir izándolo lentamente y soltar de repente, con lo cual brazos y piernas sufrían violentos tirones y en ocasiones se dislocaban. La toca, también llamada «tortura del agua», consistía en atar al prisionero a una escalera inclinada con la cabeza más baja que los pies e introducir una toca o un paño en la boca a la víctima, y obligarla a ingerir agua vertida desde un jarro para que tuviera la impresión de que se ahogaba —en una misma sesión se podían administrar hasta ocho cántaros de agua—. En el potro el prisionero tenía las muñecas y los tobillos atados con cuerdas que se iban retorciendo progresivamente por medio de una palanca.47​

El escribano que estaba presente en la sesión de tortura recogía todos los detalles y «anotaba cada palabra y cada gesto, dándonos con ello una impresionante y macabra prueba de los sufrimientos de las víctimas de la Inquisición». El siguiente es un ejemplo de estos documentos. Se trata de una mujer judeoconversa acusada de seguir practicando su antigua religión por no comer carne de cerdo y cambiarse de ropa los sábados (aunque ella cuando es puesta en el potro desconoce completamente la acusación y lo que han afirmado los testigos de cargo, pues esta era la forma de actuar de la Inquisición: que el reo confesara sin que se le dijera de qué se le acusaba):48​

Se ordenó que fuera puesta en el potro, y ella preguntó: «Señores, ¿por qué no me dicen lo que tengo que decir? Señor, pónganme en el suelo, ¿no he dicho ya que hice todo eso?». Le pidieron [los inquisidores] que lo dijera. Y ella respondió: «No recuerdo, quítenme de aquí. Hice lo que los testigos han dicho». Le pidieron que explicara con detalle qué es lo que habían dicho los testigos. Y ella replicó: «Señor, como ya le he dicho, no lo sé seguro. Ya he dicho que hice todo lo que los testigos dicen. Señores, suéltenme, por favor, porque no lo recuerdo». Le pidieron que lo dijera. Y ella respondió: «Señores, esto no me va a ayudar a decir lo que hice y ya he admitido todo lo que he hecho y que me ha traído a este sufrimiento. Señor, usted sabe la verdad. Señores, por amor de Dios, tengan piedad de mí. ¡Oh, señor! Quite estas cosas de mis brazos, señor, suélteme, me están matando». Fue atada en el potro con las cuerdas, y amonestada a que dijera la verdad, se ordenó que fueran apretados los garrotes. Ella dijo: «Señor, no ve que estas personas me están matando? Lo hice, por amor de Dios, dejen que me vaya».