由於在對單隻股票用公式（4.4）的回歸中，誤差較大，為減少誤差同時盡量減少信息損失，實證檢驗多采用股票組合進行。Sharpe和Cooper（1972）用紐約股票交易所的所有股票最早對CAPM進行了截麵檢驗，發現平均收益和幾乎成精確的線性關係。Black， Jensen和Scholes（1972）采用超額收益率進行檢驗，得出相同的結論，但同時也發現，非係統風險對收益率有影響，低風險的組合係數為正，而高風險組合係數為負；也就是說，低股票收益率高於CAPM的預測值，而高股票收益率卻低於CAPM的預測值。Fama和Macbeth（1973）發現正如CAPM所預測的那樣，為正，且和接近於0，平均股票收益和正線性關係成立，非係統風險沒有得到補償。
Fama和French在其1992年的實證檢驗中發現股票平均收益和之間的線性關係在1963-1990年間消失，即使把單獨作為解釋變量也是如此。他們在解釋變量中加入了公司規模，賬麵價值/市場價值，市盈率和兩個杠杆變量，賬麵資產/市場價值，賬麵資產/賬麵價值。經過回歸分析，Fama和Macbeth發現，公司規模和賬麵價值/市場價值包含了股票平均收益中杠杆和市盈率的作用，對平均收益率的截麵變動有明顯的解釋能力；不論是單獨作為解釋變量，還是和其他變量一起回歸，均不能拒絕其係數顯著為零的假設。由此Fama和Macbeth得出的結論說明，CAPM不能說明近50年的平均股票收益。
阮濤、林少宮對上海證券市場40隻單個股票進行了CAPM檢驗，在僅包含作為解釋變量的橫截麵回歸中，的係數顯著為零，僅為0.0045；將非係統風險加進回歸方程，的係數變為負值，仍顯著為零，非係統風險係數為正，且在5%的顯著性水平上不為零，從而否定了CAPM在上海證券市場的有效性。但由於單隻股票檢驗的誤差較大，其結論並不可靠。而且第二步並非檢驗的係數，而是檢驗。
陳小悅、孫愛軍運用Fama和French的方法對中國股市作了檢驗，在控製了股本規模以後，對收益沒有解釋能力；在、股本規模和方差的組合作為解釋變量的回歸中，均不能拒絕的係數為零的假設，從而否定了CAPM在中國股票市場的有效性。但存在與阮濤、林少宮相同的問題：實證檢驗目標並非是檢驗的係數，而是檢驗。
Roll在論文《資產定價理論檢驗的一個批評》中，就對CAPM的實證檢驗提出質疑。Roll認為：
（1）CAPM隻有一項可檢驗的內容，即市場證券組合是方差有效的。隻要市場證券組合t位於有效邊界上，資產預期收益率與市場呈線性關係就嚴格成立，這是數學推導的結果。也即是說，資產預期收益率與其係統風險成正線性關係隻是CAPM成立的必要條件，而非充分條件。對任意有效證券組合t，可以推出下式成立：
（2）真正的市場組合實際上包含所有資產，除股票、證券、衍生產品外，還包括不動產、人力資本和其他收益率難以計算的資產，用來交易的股票隻構成真正市場的一個子集，而真正的市場組合是難以得到的。
Roll還指出，CAPM的檢驗結果對市場指數的選擇很敏感。他和Ross在1994年的文章中再次強調了CAPM檢驗的這點含義。通過構造一個規劃問題，他們指出，根據市場組合代理指數在事前的均值-方差有效邊界中的位置，橫截麵檢驗中資產平均收益率與市場的係數可以取低於某一最大值的任意數值；某一市場組合代理可能無效，但是截麵檢驗中資產期望收益率與市場卻會有很強的相關關係；同時，某一市場組合代理可能很接近於有效邊界，資產平均收益率與市場的截麵檢驗相關關係卻接近於零。他們的結論意味著CAPM實證檢驗沒有任何意義。然而他們的規劃問題的第三個約束條件推導存在錯誤。由於篇幅所限，這裏不再詳述。
Stambaugh說明了無論使用基於股票的代理，還是基於股票和債券，乃至基於股票和債券及固定資產的代理，統計推斷是相近的，這意味著截麵檢驗對於市場組合代理的選擇並不像Roll所認為的那樣敏感。Kandell、Stam估計了可以推翻拒絕CAPM的市場代理和真實市場組合相關係數的上界，他們發現，隻要市場代理和真實市場組合相關係數達到0.7，拒絕市場代理的CAPM就意味著拒絕真實市場組合的CAPM。也就是說，隻要市場代理和真實市場組合存在較高的相關係數，對CAPM的拒絕仍然有效。另外實證檢驗的結論可能會受到所采用的經濟計量學方法的影響。