由于在对单只股票用公式（4.4）的回归中，误差较大，为减少误差同时尽量减少信息损失，实证检验多采用股票组合进行。Sharpe和Cooper（1972）用纽约股票交易所的所有股票最早对CAPM进行了截面检验，发现平均收益和几乎成精确的线性关系。Black， Jensen和Scholes（1972）采用超额收益率进行检验，得出相同的结论，但同时也发现，非系统风险对收益率有影响，低风险的组合系数为正，而高风险组合系数为负；也就是说，低股票收益率高于CAPM的预测值，而高股票收益率却低于CAPM的预测值。Fama和Macbeth（1973）发现正如CAPM所预测的那样，为正，且和接近于0，平均股票收益和正线性关系成立，非系统风险没有得到补偿。
Fama和French在其1992年的实证检验中发现股票平均收益和之间的线性关系在1963-1990年间消失，即使把单独作为解释变量也是如此。他们在解释变量中加入了公司规模，账面价值/市场价值，市盈率和两个杠杆变量，账面资产/市场价值，账面资产/账面价值。经过回归分析，Fama和Macbeth发现，公司规模和账面价值/市场价值包含了股票平均收益中杠杆和市盈率的作用，对平均收益率的截面变动有明显的解释能力；不论是单独作为解释变量，还是和其他变量一起回归，均不能拒绝其系数显着为零的假设。由此Fama和Macbeth得出的结论说明，CAPM不能说明近50年的平均股票收益。
阮涛、林少宫对上海证券市场40只单个股票进行了CAPM检验，在仅包含作为解释变量的横截面回归中，的系数显着为零，仅为0.0045；将非系统风险加进回归方程，的系数变为负值，仍显着为零，非系统风险系数为正，且在5%的显着性水平上不为零，从而否定了CAPM在上海证券市场的有效性。但由于单只股票检验的误差较大，其结论并不可靠。而且第二步并非检验的系数，而是检验。
陈小悦、孙爱军运用Fama和French的方法对中国股市作了检验，在控制了股本规模以后，对收益没有解释能力；在、股本规模和方差的组合作为解释变量的回归中，均不能拒绝的系数为零的假设，从而否定了CAPM在中国股票市场的有效性。但存在与阮涛、林少宫相同的问题：实证检验目标并非是检验的系数，而是检验。
Roll在论文《资产定价理论检验的一个批评》中，就对CAPM的实证检验提出质疑。Roll认为：
（1）CAPM只有一项可检验的内容，即市场证券组合是方差有效的。只要市场证券组合t位于有效边界上，资产预期收益率与市场呈线性关系就严格成立，这是数学推导的结果。也即是说，资产预期收益率与其系统风险成正线性关系只是CAPM成立的必要条件，而非充分条件。对任意有效证券组合t，可以推出下式成立：
（2）真正的市场组合实际上包含所有资产，除股票、证券、衍生产品外，还包括不动产、人力资本和其他收益率难以计算的资产，用来交易的股票只构成真正市场的一个子集，而真正的市场组合是难以得到的。
Roll还指出，CAPM的检验结果对市场指数的选择很敏感。他和Ross在1994年的文章中再次强调了CAPM检验的这点含义。通过构造一个规划问题，他们指出，根据市场组合代理指数在事前的均值-方差有效边界中的位置，横截面检验中资产平均收益率与市场的系数可以取低于某一最大值的任意数值；某一市场组合代理可能无效，但是截面检验中资产期望收益率与市场却会有很强的相关关系；同时，某一市场组合代理可能很接近于有效边界，资产平均收益率与市场的截面检验相关关系却接近于零。他们的结论意味着CAPM实证检验没有任何意义。然而他们的规划问题的第三个约束条件推导存在错误。由于篇幅所限，这里不再详述。
Stambaugh说明了无论使用基于股票的代理，还是基于股票和债券，乃至基于股票和债券及固定资产的代理，统计推断是相近的，这意味着截面检验对于市场组合代理的选择并不像Roll所认为的那样敏感。Kandell、Stam估计了可以推翻拒绝CAPM的市场代理和真实市场组合相关系数的上界，他们发现，只要市场代理和真实市场组合相关系数达到0.7，拒绝市场代理的CAPM就意味着拒绝真实市场组合的CAPM。也就是说，只要市场代理和真实市场组合存在较高的相关系数，对CAPM的拒绝仍然有效。另外实证检验的结论可能会受到所采用的经济计量学方法的影响。
