Một quần thể thường chứa các nhóm nhỏ riêng biệt. Lấy mẫu phân tầng chia quần thể thành các nhóm nhỏ đó (tầng) và sau đó lấy mẫu từ mỗi nhóm. Phương pháp này đảm bảo rằng mọi nhóm nhỏ quan trọng đều được đại diện, điều này có thể cải thiện độ chính xác và cho phép phân tích riêng biệt từng tầng.

Các nhóm đối tượng được xác định bởi các đặc điểm liên quan đến câu hỏi nghiên cứu—tuổi tác, khu vực, phân khúc khách hàng hoặc dòng sản phẩm. Kích thước mẫu trong mỗi nhóm đối tượng có thể tỷ lệ thuận với kích thước của nhóm hoặc có thể bằng nhau nếu ưu tiên là so sánh giữa các nhóm. Trong mỗi nhóm đối tượng, việc lựa chọn thường là ngẫu nhiên.

Lấy mẫu phân tầng phức tạp hơn so với lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản, nhưng lợi ích về tính đại diện và hiệu quả thường bù đắp cho công sức bỏ ra. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu dư luận, nghiên cứu thị trường và kiểm soát chất lượng khi biết rằng quần thể không đồng nhất. Mấu chốt là lựa chọn các tầng có ý nghĩa đối với các biến số đang được nghiên cứu.