Un échantillonnage à plusieurs phases entraîne la collecte de données de base auprès d'un échantillon d'unités de grande taille et ensuite, pour un sous-échantillon de ces unités, la collecte de données plus détaillées. La forme la plus courante d'échantillonnage à plusieurs phases est l'échantillonnage à deux phases (ou l'échantillonnage double), mais il est également possible d'effectuer un échantillonnage à trois phases ou plus.

L'échantillonnage à plusieurs phases est assez différent de l'échantillonnage à plusieurs degrés, malgré les similarités entre eux sur le plan de leur appellation. Même si l'échantillonnage à plusieurs phases suppose aussi le prélèvement de deux échantillons ou plus, dans son cas, tous les échantillons sont tirés de la même base de sondage et les unités sont structurellement les mêmes à chaque phase. Comme dans le cas de l'échantillonnage à plusieurs degrés, plus l'on utilisera de phases, plus le plan d'échantillonnage et l'estimation deviendront complexes.

L'échantillonnage à plusieurs phases est utile lorsqu'il manque à l'intérieur de la base de sondage des données auxiliaires qui pourraient servir à stratifier la population ou à rejeter à la sélection une partie de la population.

Exemple 8 : Supposons qu'une organisation a besoin d'informations  sur des éleveurs de bétail de la vallée, mais que dans la base de sondage sont énumérés tous les types d'exploitations agricoles : d'élevage de bétail et de production laitière, de grains, de volailles et de fruits et de légumes. Pour compliquer les choses, la base de sondage ne fournit aucune donnée auxiliaire sur les exploitations agricoles qui y sont énumérées.

On pourrait mener une enquête toute simple dont la seule question serait : « Votre exploitation agricole est-elle en partie ou en totalité consacrée à l'élevage du bétail? » Si elle ne comptait qu'une seule question, cette enquête devrait entraîner un faible coût par interview, ce qui, par conséquent, permettrait à l'organisation de prélever un grand échantillon. Une fois le premier échantillon prélevé, on pourrait en extraire un second, plus petit, à partir des éleveurs de bétail et poser à ces derniers des questions plus détaillées. En utilisant cette méthode, l'organisation éviterait de dépenser de l'argent à sonder des unités ne faisant pas partie du champ d'observation (c'est-à-dire les producteurs agricoles autres que les éleveurs de bétail).

On pourrait utiliser l'échantillonnage à plusieurs phases lorsqu'on disposerait d'un budget insuffisant pour recueillir des données auprès de l'échantillon entier ou lorsque recueillir des données auprès de l'échantillon entier imposerait un fardeau excessif aux répondants ou même quand les coûts de collecte pour différentes questions d'une enquête différeraient énormément.

Exemple 9 : On pose aux participants à une enquête sur la santé des questions de fond au sujet de leur régime alimentaire et de leurs habitudes au niveau de la consommation de tabac et d'alcool et de la pratique de l'exercice physique. Cette enquête oblige, en outre, les répondants à se soumettre à certains examens médicaux.

Remplir des questionnaires ou interviewer des participants sont des procédures relativement peu dispendieuses, mais les examens médicaux exigent la supervision et l'aide d'un professionnel ou d'une professionnelle de la santé qualifié(e), de même que l'utilisation d'un laboratoire équipé, ce qui peut dans un cas comme dans l'autre être assez coûteux. La meilleure façon de mener l'enquête susmentionnée consisterait à utiliser une méthode d'échantillonnage à deux phases. À la première phase, on soumettrait aux interviews un échantillon d'une taille appropriée. On prélèverait à partir de cet échantillon un échantillon plus petit. Ce sont les membres de ce second échantillon qui passeraient des examens médicaux.