Processus d'échantillonnage dans lequel les éléments qui font partie de l'échantillon sont déterminés par tirage au sort selon des méthodes respectant les lois du hasard (jet de dés, table de nombres aléatoires, etc.).
Dans un échantillon probabiliste ou aléatoire, chaque élément de la population a une probabilité connue d'être inclus, probabilité différente de zéro et non nécessairement constante pour tout l'univers d'étude.
De la méthode d'échantillonnage aléatoire élémentaire ont été tirées des méthodes plus fiables ou d'une fiabilité identique pour un coût inférieur : échantillonnage à plusieurs degrés, échantillonnage aréolaire, échantillonnage en grappes, échantillonnage fixe, échantillonnage séquentiel, échantillonnage stratifié, échantillonnage systématique.
Un échantillon probabiliste ou aléatoire est dit simple lorsque chaque élément a une probabilité connue et égale à celle de tout autre d'être choisi pour faire partie de l'échantillon (échantillon équiprobable).