نمونه‌گيرى خوشه‌اى عبارت است از انتخاب واحد تحليل و بعبارتى واحد اصلى مطالعه از طريق طى چند مرحلهٔ نمونه‌گيرى پيوسته.
اين نوع نمونه‌گيرى هنگامى کاربرد دارد که امکان تعيين چارچوبى براى جامعهٔ آمارى وجود نداشته باشد و محقق نتواند نمونهٔ مورد نياز را به روش‌هاى احتمالى ساده يا طبقه‌بندى شده انتخاب کند و علاوه بر اين جامعه داراى خصلت سلسله مراتبى باشد. در اين وضعيت از نظام سلسله مراتب يا تقسيمات جغرافيايى استفاده مى‌شود. حال ممکن است سطح سلسله مراتب يا تقسيمات فضايى - جغرافيايى به شکل رسمى و تعريف شده وجود داشته باشد يا محقق با استفاده از نقشه‌ها يا تصاوير هوايى و ماهواره‌اى به تقسيم‌بندى سلسله مراتبى فضا (در شهر، روستا يا ناحيهٔ جغرافيايي) بپردازد. او پس از اين کار، قادر است براساس الگوى سلسله مراتبى فضا از مقياس‌هاى بزرگتر (کلى‌تر) به مقياس کوچکتر (جزئى‌تر) حرکت کند و بصورت پيوسته در هر سطحى از سلسله مراتب، يک مرحله از نمونه‌گيرى را انجام دهد. ولى در اين نوع نمونه‌گيرى محقق بايد روش نمونه‌گيرى احتمالى ساده يا طبقه‌بندى شده را در هر يک از مراحل مورد استفاده قرار دهد.
فرض کنيد محققى مى‌خواهد دربارهٔ معلمان يا دانش‌آموزان يا روستاها يا وضع جمعيتى يک کشور يا استان يا منطقهٔ جغرافيايى تحقيقى انجام دهد. در اينجا ناچار است از روش خوشه‌اى و چند مرحله‌اى استفاده کند. اگر بخواهد الگوى تقسيمات کشورى را رعايت کند بايد در مرحلهٔ اول در سطح استان‌ها نمونه‌گيرى کند و استان‌هاى موردنظر خود را انتخاب نمايد. سپس در بين استان‌هاى برگزيده شده، مرحلهٔ دوم نمونه‌گيرى را در سطح شهرستان انجام دهد. در مرحلهٔ سوم نمونه‌گيرى بايد در مراکز شهرى تعدادى منطقهٔ شهرى و در سطح بخش‌ها تعدادى بخش را برگزيند.
از آنجا که واحد تحليل در تحقيق معلمان يا وضع مسکن خانواده‌ها يا وضع جمعيتى است و احتمال دارد محقق نتواند تمام منطقهٔ شهرى يا بخش را مورد مطالعه قرار دهد، ممکن است اقدام به چهارمين مرحلهٔ نمونه‌گيرى نمايد. يعنى در سطح مدرسه‌ها يا مساکن و خانوارها يا روستاهاى بخش برگزيده شده اقدام به نمونه‌گيرى نمايد و واحد تحليل و مطالعهٔ خود را برگزيند. اگر بخواهد از روش طبقه‌بندى نيز براى واحدهاى تحليلى استفاده کند، مى‌تواند حجم نمونه را به طبقاتى نظير شهرى و روستايى يا مقاطع تحصيلى نيز تقسيم کند و از بين هر طبقه تعداد نمونهٔ متناسب آن را انتخاب کند.
همان‌طور که گفته شد، در هر يک از مراحل نمونه‌گيرى يا در هر يک از طبقات بايد افراد نمونه با استفاده از روش نمونه‌گيرى احتمالى يا اتفاقى ساده يا منظم برگزيده شوند. اين روش را از آن جهت که در چند مرحله انجام مى‌گردد و واحد تحليل در مرحله پايانى انتخاب مى‌شود، روش نمونه‌گيرى چند مرحله‌اى و از آنجا که در سطوح مختلف انجام مى‌شود روش خوشه‌اى و گروهى مى‌گويند و هر سطح معادل يک مرحله و بعنوان يک خوشه يا گروه شناخته مى‌شود. البته به اين نکته بايد توجه داشت که الزاماً روش خوشه‌اى با سلسله مراتب ناحيه‌اى و جغرافيايى همراه نيست و احتمال دارد همين مراحل و خوشه‌ها در يک مکان جغرافيايى و در يک واحد سازمانى انجام شود؛ مثلاً اگر محققى بخواهد تعدادى دانشجو را در يک دانشگاه يا تعدادى کتاب را در يک کتابخانه يا تعدادى کارمند را در حوزهٔ ستادى يک وزارتخانه انتخاب کند، مى‌تواند براساس سلسله مراتب سازمان يا گونه‌هاى مختلف، نمونهٔ خود را به روش خوشه‌اى و گروهى انتخاب کند؛ مثلاً در خوشهٔ اول مى‌تواند تعدادى دانشکده، يا تعدادى رشتهٔ موضوعى کتاب، يا تعدادى ادارهٔ کل ستادى را برگزيند. در خوشهٔ دوم تعدادى گروه آموزشي، يا تعدادى قفسهٔ کتاب، يا تعدادى اداره را برگزيند و در خوشهٔ سوم واحدهاى تحليل خود را انتخاب کند و تعداد دانشجو يا تعداد کتاب يا تعداد کارمند را از بين گروه‌هاى خوشهٔ دوم برگزيند.
نمونه‌گيرى خوشه‌اى و چند مرحله‌اى براى زمانى است که اولاً چارچوب جامعه آمارى در اختيار نباشد يا تهيهٔ آن زمان و هزينهٔ زيادى را طلب کند؛ ثانياً به لحاظ گستردگى جغرافيايى واحدهاى تحليل، امکان گردآورى اطلاعات فراهم نباشد.
نمونه‌گيرى خوشه‌اى محض
خوشه‌اى محض که مربوط به جامعه سلسله مراتبى در يک مکان خاص است؛ مانند دانشگاه يا سازمان اداري.
نمونه‌گيرى خوشه‌اى فضايى
خوشه‌اى - فضاى که از الگوى ترکيبى سازمان سلسله مراتبى در چارچوب تقسيمات کشورى تبعيت مى‌کند. يا اينکه نظام تقسيمات کشورى بعنوان چارچوب نمونه‌گيرى براى پديده مورد مطالعه مانند روستاها يا خانوارهاى شهرى در نظر گرفته مى‌شود.