整體通常包含不同的亞群體。分層抽樣將總體劃分為這些亞群體（層），然後從每一層抽取樣本。此方法確保每個重要的亞群體都被代表，從而提高抽樣精度，並允許對每一層進行單獨分析。

研究分層依據與研究問題相關的特徵進行劃分，例如年齡、地區、客戶群體或產品線。分層內的樣本量可以與該分層的規模成比例，也可以相等（如果分層間的比較是首要考慮因素）。在每個分層內，樣本選擇通常是隨機的。

分層抽樣比簡單隨機抽樣更複雜，但其在代表性和效率方面的提升通常足以彌補所付出的努力。當已知總體具有異質性時，分層抽樣被廣泛應用於民意調查、市場調查和品質控制。關鍵在於選擇對所研究變數至關重要的分層。