在大规模抽样调查中，一次抽取到终样本单位是很难实现的，往往需要经过二个或二个以上阶段才能抽到终样本单位，这就是多阶段抽样方法。首先从总体中采用随机方法抽取若干个小总体，称为初级单元；再在这些中选的初级单元中随机抽取若干个单位。如果经过二个阶段抽样，抽取到接受调查的终单位，称为二阶段抽样；如果经过三个阶段才抽取到接受调查的终单位，称为三阶段抽样，以此类推。所以多阶段抽样是对经过二个及二个以上抽样阶段抽样方法的统称。
    在大范围的抽样调查中，采用多阶段抽样是必要的。首先，在大范围抽样调查中，往往没有包括所有总体单位的抽样框，或者编制这样的抽样框十分困难。多阶段抽样是分阶段进行的，抽样框也可以分级进行准备。在阶段抽样中，只需准备总体中关于初级单元的抽样框；在第二阶段抽样中，仅在那些被抽中的初级单元中准备第二阶段抽样所需的抽样框。其次，因为多阶段抽样是在中选单位中的再抽选，这样就使样本的分布相对集中，从而可以节省调查中的人力和财力。例如全国性的居民入户调查，首先抽区县，然后在中选的区县中抽居委会(村委会)，后在中选的居委会(村委会)中抽取居民户。如果构造下一级抽样框的工作和抽取样本的工作能得到各级行政单位的配合，则为多阶段抽样的实施创造了十分有利的条件。多阶段的抽样设计比较复杂，这里不仅涉及如何划分阶段，还包括在每个阶段上应当抽取多大样本量，以及每个阶段的抽样方法。此外，多阶段的抽样误差计算也比较复杂。
现实中的抽样设计，经常是多种抽样方法的组合。比如两阶段抽样中，阶段采用分层随机抽样，第二阶段采用系统抽样。又如采用分层抽样时，不同层内可以采用不同抽样方法，某些层内采用简单随机抽样，某些层内采用系统抽样。不同的抽样方法下，估计量会呈现不同的性质。因此抽样设计中除了设计样本单位的选择之外，还需要选择适用的样本估计量。