Kuten edellä kohdassa Estimointi todettiin, tilastollinen päättely on prosessi, jossa käytetään otoksesta saatuja tietoja estimaattien tekemiseen tai hypoteesien testaamiseen perusjoukon osalta. Otantatutkimusmenetelmien alalla tutkitaan tehokkaita tapoja hankkia otostietoja. Kolme yleisintä otantatutkimustyyppiä ovat postikyselyt, puhelinkyselyt ja henkilökohtaiset haastattelututkimukset. Kaikissa näissä käytetään kyselylomaketta, jonka kysymysten muotoilusta, järjestyksestä ja ryhmittelystä on olemassa paljon tietoa. On olemassa muitakin otantatutkimustyyppejä, joissa ei käytetä kyselylomaketta. Esimerkiksi kirjanpitoaineiston otanta tilintarkastusta varten ja tietokoneen käyttö suuren tietokannan otantaan ovat otantatutkimuksia, joissa tietojen keräämiseen käytetään otokseen valittujen yksiköiden suoraa havainnointia.
Otantatutkimuksia suunniteltaessa pyritään saamaan perusjoukkoa edustava otos, jotta voidaan tehdä tarkkoja johtopäätöksiä. Otantavirhe on perusjoukon parametrin ja sen estimoinnissa käytetyn otostilaston välinen ero. Esimerkiksi populaation keskiarvon ja otoskeskiarvon välinen ero on otantavirhe. Otantavirhe johtuu siitä, että tutkimuksen kohteena on osa eikä koko perusjoukko. Todennäköisyysotantamenetelmien avulla, joissa tiedetään kunkin otoksessa esiintyvän yksikön todennäköisyys, tilastotieteilijät voivat tehdä todennäköisyyslausumia otantavirheen suuruudesta. Ei-todennäköisiä otantamenetelmiä, jotka perustuvat pikemminkin mukavuuteen tai harkintaan kuin todennäköisyyteen, käytetään usein kustannus- ja aikahyötyjen vuoksi. On kuitenkin oltava erittäin varovainen, kun tehdään johtopäätöksiä ei-todennäköisyysotoksesta; se, onko otos edustava vai ei, riippuu tutkimuksen suunnittelijoiden ja toteuttajien harkinnasta eikä terveistä tilastollisista periaatteista. Lisäksi ei ole olemassa objektiivista perustetta otantavirheen rajojen määrittämiseksi silloin, kun on käytetty ei-todennäköisyysotosta.
Useimmissa julkisissa ja ammatillisissa kyselytutkimuksissa käytetään todennäköisyysotosta. Yleisesti voidaan olettaa, että kaikki kyselytutkimukset, joissa ilmoitetaan virhemarginaali plus tai miinus, on tehty todennäköisyysotannalla. Tilastotieteilijät suosivat todennäköisyysotantamenetelmiä ja suosittelevat niiden käyttöä aina kun mahdollista. Käytettävissä on erilaisia todennäköisyysotantamenetelmiä. Tässä tarkastellaan muutamia yleisimpiä.
Yksinkertainen satunnaisotanta muodostaa perustan monille todennäköisyysotantamenetelmille. Yksinkertaisessa satunnaisotannassa jokaisella mahdollisella n-kokoisella otoksella on sama todennäköisyys tulla valituksi. Tätä menetelmää käsiteltiin edellä luvussa Estimointi.
Stratifioitu yksinkertainen satunnaisotanta on yksinkertaisen satunnaisotannan muunnelma, jossa perusjoukko jaetaan suhteellisen homogeenisiin ryhmiin, joita kutsutaan ositteiksi, ja jokaisesta ositteesta valitaan yksinkertainen satunnaisotos. Tämän jälkeen ositteista saadut tulokset yhdistetään, jotta voidaan tehdä päätelmiä perusjoukosta. Menetelmän sivuhyötynä on, että voidaan tehdä päätelmiä myös kunkin ositteen edustamasta osapopulaatiosta.
Klusterinäytteenotossa perusjoukko jaetaan erillisiin ryhmiin, joita kutsutaan klustereiksi. Toisin kuin ositetun yksinkertaisen satunnaisotannan tapauksessa, on toivottavaa, että klusterit koostuvat heterogeenisistä yksiköistä. Yksivaiheisessa ryväsotannassa valitaan yksinkertainen satunnaisotos klustereista, ja tiedot kerätään jokaiselta otokseen kuuluvien klustereiden yksiköltä. Kaksivaiheisessa klusteriotannassa valitaan yksinkertainen satunnaisotos klustereista ja sen jälkeen valitaan yksinkertainen satunnaisotos kunkin otokseen valitun klusterin yksiköistä. Yksi ryväsotannan ensisijaisista sovelluksista on niin sanottu alueellinen otanta, jossa ryväsotannat ovat maakuntia, kuntia, kaupunkikortteleita tai muita tarkoin määriteltyjä maantieteellisiä osia väestöstä.