Při náhodném výběru, známém také jako pravděpodobnostní výběr, má každá kombinace položek z rámce nebo vrstvy známou pravděpodobnost výskytu, ale tyto pravděpodobnosti se nemusí nutně rovnat. U každé formy výběru vzorku existuje riziko, že vzorek nebude adekvátně reprezentovat populaci, ale u náhodného výběru existuje rozsáhlá statistická teorie, která toto riziko kvantifikuje, a umožňuje tak zvolit vhodnou velikost vzorku. Kromě toho lze po výběru vzorku vypočítat výběrovou chybu spojenou s naměřenými výsledky. U nenáhodného výběru neexistuje žádná míra související výběrové chyby. I když mohou být tyto metody levnější, je to do značné míry bezvýznamné, protože neexistuje žádné měřítko kvality. Existuje několik forem náhodného výběru. Například při prostém náhodném výběru má každý prvek stejnou pravděpodobnost výskytu. To může být v mnoha praktických situacích neproveditelné. Mezi další příklady pravděpodobnostního výběru patří stratifikovaný výběr a vícestupňový výběr.