Κάθε μέλος ενός πληθυσμού θα πρέπει να έχει ίσες πιθανότητες να επιλεγεί. Η τυχαία δειγματοληψία είναι η τεχνική που επιτυγχάνει αυτή την προϋπόθεση. Όταν γίνεται σωστά, το δείγμα που προκύπτει είναι πιθανό να αντιπροσωπεύει τον πληθυσμό εντός ενός υπολογίσιμου περιθωρίου σφάλματος. Η απλή τυχαία δειγματοληψία αντλεί ονόματα ή αριθμούς τυχαία. Τα πιο σύνθετα σχέδια χρησιμοποιούν στρωματοποίηση ή ομαδοποίηση διατηρώντας παράλληλα την τυχαιότητα εντός των σταδίων.

Η τυχαία δειγματοληψία υποστηρίζει την ικανότητα γενίκευσης από ένα δείγμα σε έναν πληθυσμό. Οι μη τυχαίες μέθοδοι — δείγματα ευκολίας, δείγματα εθελοντικής απόκρισης — μπορεί να είναι ευκολότερες στην απόκτηση, αλλά εισάγουν μεροληψία που δεν μπορεί να διορθωθεί με μεγαλύτερο μέγεθος. Οι δημοσκοπήσεις, οι έλεγχοι ποιοτικού ελέγχου και πολλές επιστημονικές μελέτες βασίζονται στην τυχαία δειγματοληψία για την εγκυρότητά τους.

Στην πράξη, η τέλεια τυχαιότητα συχνά προσεγγίζεται. Οι ελλιπείς λίστες, η μη ανταπόκριση και οι πρακτικοί περιορισμοί εισάγουν ατέλειες. Οι ερευνητές αναφέρουν τα ποσοστά ανταπόκρισης και συζητούν πιθανές μεροληψίες, ώστε οι αναγνώστες να μπορούν να κρίνουν την ισχύ του συμπεράσματος. Παρά τις δυσκολίες της, η τυχαία δειγματοληψία παραμένει το χρυσό πρότυπο για αντιπροσωπευτικές μετρήσεις.