Um pesquisador, ao buscar a causa que explica o acontecimento de fenômenos observáveis, estará fazendo um delineamento de pesquisa. Esse tipo de pesquisa considera a causa e efeito entre variáveis, permitindo ao pesquisador isolar essas relações de maneira favorável ao seu trabalho e a futuras conclusões.

O delineamento de pesquisa, também denominado planejamento experimental, representa um conjunto de ensaios estabelecido com critérios científicos e estatísticos, com o objetivo de determinar a influência de diversas variáveis nos resultados de um dado sistema ou processo. Esse objetivo maior pode ser dividido em outros mais, de acordo com o propósito dos ensaios:

Determinar quais as variáveis são mais influentes nos resultados;

Atribuir valores às variáveis influentes de modo a otimizar os resultados, a minimizar a variabilidade dos resultados e a influência de variáveis incontroláveis.

A seguir, destacam-se alguns benefícios da utilização das técnicas estatísticas de planejamento experimental:

Redução do número de ensaios sem prejuízo da qualidade da informação;

Estudo simultâneo de diversas variáveis, separando seus efeitos;

Determinação da confiabilidade dos resultados;

Realização da pesquisa em etapas, num processo iterativo de acréscimo de novos ensaios;

Seleção das variáveis que influem num processo com número reduzido de ensaios;

Representação do processo estudado através de expressões matemáticas;

Elaboração de conclusões a partir de resultados qualitativos. 

Geralmente feitas em laboratório, as condições do experimento são determinadas pelo pesquisador, que comandará as ações sobre as variáveis explicativas (os chamados tratamentos) através de controle e aleatoriedade. Em trabalhos experimentais, deve-se ter controle das possíveis variáveis que possam interferir na pesquisa, isolando apenas as relações entre as variáveis que se deseja pesquisar. A casualização, por sua vez, é feita para que as outras variáveis, não estando sob controle imediato do pesquisador, possam ter seus valores distribuídos de forma não intencional entre os grupos submetidos ao experimento.

Em um experimento existe a necessidade de haver pelo menos dois grupos amostrais de indivíduos. Um deles, o chamado grupo experimental, será constituído de elementos que apresentam características bem definidas, aos quais se administra um fator da variável que se deseja saber a influência sobre outra. O outro grupo, denominado grupo controle, será constituído de elementos que apresentem exatamente todas as características do grupo experimental, menos a variável a ele aplicada.

Quase sempre, porém, não se consegue indivíduos exatamente iguais entre os dois grupos ou mesmo dentro de cada grupo. Para minimizar essa diferença, os indivíduos podem ser agrupados em blocos onde as características devem ser semelhantes, como o mesmo peso ou a mesma faixa etária. Com a homogeneização dentro de cada bloco espera-se que, em média, os indivíduos tenham o mesmo peso ou a mesma idade. Os blocos são usados também quando se suspeita que uma certa variável não desejada para a pesquisa, como o sexo, possa influenciar no experimento.

A administração ou não dos tratamentos em cada grupo deve ser feita aleatoriamente, por processo de sorteio. Dessa forma, evita-se que fatores subjetivos, inerentes à condição humana do investigador, possam influenciar na alocação de indivíduos.

Além do controle e da casualização, é necessário também ter repetições, que é a aplicação dos tratamentos nas mesmas condições e por diversas vezes. Em toda experimentação sempre existe erro, chamado de erro experimental. Quando são feitas repetições em um delineamento, é possível estimar qual é a magnitude do erro experimental e, conseqüentemente, consegue-se avaliar melhor o efeito de um determinado fator.

Resumidamente, tem-se:

Delineamento de Experimentos: Testes conduzidos de forma planejada, onde os fatores (ou variáveis controladas) são alterados de modo a avaliar-se seu impacto sobre uma variável resposta.

Resposta: variável dependente do experimento, a qual deseja-se saber sua alteração quando for aplicado algum tratamento.

Tratamento:variáveis independentes controladas no experimento, cujos efeitos deseja-se testar.

Níveis: cada um dos possíveis valores que a variável independente (tratamentos) pode assumir no experimento.

Unidade Experimental: porção da amostra (animal, pessoa, peça, máquina, fábrica, etc.) na qual é aplicado um tratamento.

Aleatoriedade (ou casualização): é fundamental que os tratamentos sejam atribuídos a grupos experimentais tão iguais quanto possíveis, de modo a melhor se avaliar o efeito de um dado fator. A aleatoriedade é uma das formas de assegurar esta homogeneidade.