Vícestupňové vzorkování je komplexní forma vzorkování clusterů. Použití všech vzorkovacích prvků ve všech vybraných clusterech může být neúměrně drahé nebo nemusí být nutné. Za těchto okolností se vícestupňové vzorkování clusterů stává užitečným. Místo použití všech prvků obsažených ve vybraných clusterech výzkumník náhodně vybírá prvky z každého clusteru. Sestavení clusterů je prvním stupněm. Rozhodování o tom, jaké prvky v rámci clusteru použít, je druhým stupněm. Tato technika se používá často, pokud neexistuje úplný seznam všech členů populace.
Odběr vzorků úměrný velikosti pravděpodobnosti je typ vícestupňového odběru vzorků z clusteru. Při této metodě se pravděpodobnost výběru prvku v daném clusteru mění nepřímo s velikostí clusteru.
I když vzorkování klastrů a stratifikované vzorkování vykazují určité povrchové podobnosti, jsou podstatně odlišné. Při stratifikovaném vzorkování se odebírá náhodný vzorek ze všech vrstev, kde se při vzorkování klastrů studují pouze vybrané klastry, a to buď v jednom stupni, nebo ve více stupních.