این روش وقتی به کار می رود که فهرست کامل افراد جامعه در دسترس نباشد.
به این منظور افراد را در دسته هایی خوشه بندی می کنند، سپس از میان خوشه ها نمونه گیری به عمل می آورند و زمانی به کار می رود که انتخاب گروهی از افراد امکان پذیر و آسان تر از انتخاب افراد در یک جامعه تعریف شده باشد.
به عبارتی، اگر در نمونه گیری طبقه ای برای رسیدن به همگنی بیشتر جامعه به چند «طبقه» تقسیم می شد و نمونه از درون طبقات تشکیل شده انتخاب می گردید، در نمونه گیری خوشه ای، «خوشه ها» در برگیرنده گروههای ناهمگن از قبیل تشکیل شده، هستند.
روشهای نمونه گیری خوشه ای، بر اساسی انتخاب یک «فرد» یا «عضو » مبتنی بود، اما گاه امکان انتخاب فرد نیست و باید «گروه» انتخاب شود.
به خصوص زمانی که فهرستی از جامعه به علت گستردگی آن در دسترس نباشد.
لذا پژوهشگر باید به جای فرد، سراغ «خوشه ها» برود. نمونه گیری خوشه ای زمانی استفاده می شود که چارچوب نمونه گیری (فهرست اعضای جامعه) در دسترس نیست.
هم چنین گاه به علت پراکندگی و گسترده بودن جامعه مورد نظر انتخاب نمونه با استفاده از سه روش قبلی مقرون به صرفه نیست.
در نتیجه، در این روشی، به جای افراد، گروه ها است که به صورت تصادفی انتخاب می شوند.
برعکس روش نمونه گیری تصادفی طبقه ای که در آن گروه ها همگن هستند، در نمونه گیری خوشه ای، گروه ها ناهمگن می باشند.
نکته برجسته این روش این است که واحد نمونه گیری فرد نیست، بلکه یک دسته یا خوشه است.
به عنوان مثال فرض شود جامعه مورد نظر و تعریف شده عبارت است از کلیه افراد یک شهر که بیشتر از ۱۸ سال سن دارند، باشد.
در این جامعه نمونه گیری تصادفی ساده و نمونه گیری منظم زمانی میسر است که فهرست کامل تمام افراد یک شهر را با سن آنها در دست داشته باشد، در غیر این صورت به جای انتخاب فرد به عنوان واحد نمونه گیری، منطقه را واحد نمونه گیری قرار می گیرد و سپس به روش نمونه گیری تصادفی ساده از بین مناطق، منطقه یا مناطق مورد نظر را انتخاب می شود.
این روش در موقعیت هایی کاربرد دارد که:
الف) جامعه مورد پژوهش از دسته های جداگانه ای تشکیل شده و عناصر ان در دسته هایی توزیع شده باشند؛
ب ) انتخاب گروه آسانتر از انتخاب تک تک افراد باشد .
همان طور که اشاره شد، برخلاف روش نمونه گیری تصادفی طبقه ای که در آن گروهها همگن هستند، در نمونه گیری خوشه ای، گروهها ناهمگن می باشند.
این روش نمونه گیری، درباره جامعه هایی که دارای توزیع جمعیتی پراکنده و گسترده است، کاربرد دارد، یعنی زمانی که فهرست کاملی از افراد جامعه در دسترس نباشد.
در این صورت، انتخاب نمونه از نظر اجرایی دشوار است.
در نتیجه، با وجود چنین پراکندگی، جامعه پژوهش باید دسته بندی و به عبارتی خوشه بندی شود، به این معنا که به جای انتخاب فرد به عنوان یک واحد، نمونه گیری از جامعه، کلاس، مدرسه و یا منطقه به عنوان «خوشه» می شود.
مثلاً برای انتخاب یک نمونه ۵۰۰۰ نفری از دانش آموزان راهنمایی سراسر کشور، در مرحله اول به صوت تصادفی پنج استان و از میان شهرستانهای هر استان دو شهرستان، از میان شهرها یا بخش های هر شهرستان دو مدرسه و از هر مدرسه یک کلاس به عنوان نمونه به صورت تصادفی انتخاب می شوند.
و یا برای بررسی میزان تحصیلات کارمندان یک شهر بزرگ که افراد پراکنده اند، با استفاده از نمونه گیری خوشهای می توان واحد نمونه گیری (خوشه) را «سازمان» تعریف نمود.
سپس چند سازمان یا خوشه را به صورت تصادفی انتخاب و سپس کارمندان مورد نیاز را از بین این سازمان ها انتخاب نمود.
دقت شود درون خوشه ها هر چه تجانس بیشتر باشد، بهتر خواهد بود.
یا این که اگر پژوهشگری قصد دارد توانایی استعداد فضایی دانش آموزان سوم متوسطه یک استان را برآورد کند (برآورد متوسط توانایی درک فضایی دانش آموزان پایه سوم متوسطه) می تواند با انتخاب پایه مورد نظر، مثلاً کلاس سوم را به عنوان «خوشه» در نظر گیرد و سپس فهرست کلاس های سوم متوسطه را فراهم نماید.
توانایی فضایی را مورد بررسی قرار داد. به طور خلاصه در این روشی، واحد نمونه گیری یک گروه از افراد یا «خوشه» است که به طور طبیعی تشکیل شده اند.
لذا، وقتی فهرست کامل افراد جامعه مورد مطالعه در دسترس نیست، افراد جامعه در دسته هایی (خوشه ها) دسته بندی می شوند، سپس از میان خوشه ها، نمونه گیری به عمل می آید.
در اینجا فهرستی از خوشه ها (نه افراد) به عنوان چارچوب نمونه گیری معرفی و ملاک عملی پژوهشگر قرار می گیرد.
این روش در مقایسه سایر روش ها نیاز به وقت اجرایی کمتری دارد.
لیکن ضعف عمده آن این است که ممکن است نمونه انتخاب شده به صورت کامل معرف و نماینده واقعی جامعه نباشد.
در این روش، نکته مهم این روش آن است که چگونه باید دسته بندی انجام گیرد تا منطقی ترین خوشه ها منظور شوند.