Ένας πληθυσμός συχνά περιέχει διακριτές υποομάδες. Η στρωματοποιημένη δειγματοληψία διαιρεί τον πληθυσμό σε αυτές τις υποομάδες (στρώματα) και στη συνέχεια επιλέγει ένα δείγμα από την καθεμία. Η μέθοδος διασφαλίζει ότι κάθε σημαντική υποομάδα αντιπροσωπεύεται, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει την ακρίβεια και να επιτρέψει την ξεχωριστή ανάλυση κάθε στρώματος.

Τα στρώματα ορίζονται από χαρακτηριστικά σχετικά με το ερευνητικό ερώτημα—ηλικία, περιοχή, τμήμα πελατών ή σειρά προϊόντων. Τα μεγέθη των δειγμάτων εντός των στρωμάτων μπορεί να είναι ανάλογα με το μέγεθος του στρώματος ή μπορεί να είναι ίσα εάν η σύγκριση μεταξύ των στρωμάτων αποτελεί προτεραιότητα. Εντός κάθε στρώματος, η επιλογή είναι συνήθως τυχαία.

Η στρωματοποιημένη δειγματοληψία είναι πιο περίπλοκη στη διαχείριση από την απλή τυχαία δειγματοληψία, αλλά το κέρδος σε αντιπροσωπευτικότητα και αποτελεσματικότητα συχνά δικαιολογεί την προσπάθεια. Χρησιμοποιείται ευρέως στην έρευνα γνώμης, στην έρευνα αγοράς και στον έλεγχο ποιότητας όταν ο πληθυσμός είναι γνωστό ότι είναι ετερογενής. Το κλειδί είναι η επιλογή στρωμάτων που έχουν σημασία για τις μεταβλητές που μελετώνται.