En tilfældig stikprøve er en delmængde af en population, hvor hvert medlem har lige stor chance for at blive udvalgt. Målet er at producere en gruppe, der repræsenterer den større population, som den er trukket fra, på en retfærdig måde.

Simpel tilfældig stikprøveudtagning giver hvert individ den samme sandsynlighed for inklusion. Stratificeret stikprøveudtagning opdeler først populationen i undergrupper og udtager derefter tilfældige stikprøver inden for hver, hvilket sikrer repræsentation af vigtige kategorier. Tilfældig stikprøveudtagning reducerer udvælgelsesbias og understøtter statistisk generalisering fra stikprøven til populationen. I praksis er det vanskeligt at opnå ægte tilfældige stikprøver; mange undersøgelser er afhængige af bekvemmelighedsstikprøver og bemærker de deraf følgende begrænsninger for generaliserbarhed.

Stikprøvestørrelsen har også betydning. Større tilfældige stikprøver giver mere stabile estimater og smallere konfidensintervaller. Meningsmålingsorganisationer og undersøgelsesforskere investerer en betydelig indsats i at konstruere stikprøverammer og minimere bortfald, så den endelige stikprøve forbliver tæt på tilfældig.

Når alle medlemmer af populationen har samme chance for at optræde i undersøgelsen, er stikprøven tilfældig.