在特定領域，如流行病學，社會科學，心理學和統計，一個觀察性研究得出從推論樣本的人口，其中自變量是不是在控制的，因為道德問題或后勤方面的制約的研究員。一項常見的觀察性研究是關于治療對受試者的可能影響，其中將受試者分配到治療組與對照組是不受研究者控制的。這與實驗相反，例如隨機對照試驗，其中每個受試者被隨機分配到治療組或對照組。

• 病例對照研究：最初在流行病學中發展起來的研究，其中根據某些假定的因果屬性確定和比較結果不同的兩個現有組。
• 橫斷面研究：涉及在特定時間點從人群或代表性子集收集數據。
• 縱向研究：相關研究的研究涉及到重復相同的變量的觀察在很長一段時間。隊列研究和小組研究是縱向研究的特殊形式。

雖然觀察性研究不能用于對實踐的“安全性、有效性或有效性”做出明確的事實陳述，但它們可以：

1)檢測關于在一般人群中使用的好處和風險的信號；2)幫助制定假設以供后續實驗檢驗；3)提供設計更多信息實用的臨床試驗所需的部分社區級數據；和4)告知臨床實踐。”

在所有這些情況下，如果無法進行隨機實驗，則替代研究路線會遇到以下問題，即哪些受試者接受治療的決定并非完全隨機，因此是潛在的偏差來源。進行觀察性研究的一個主要挑戰是得出不受明顯偏見影響的可以接受的推論，以及評估潛在隱藏偏見的影響。

不受控制的實驗的觀察者記錄潛在因素和數據輸出：目標是確定因素的影響。有時記錄的因素可能不會直接導致輸出的差異。可能還有更重要的因素沒有記錄，但實際上是因果關系。此外，記錄的或未記錄的因素可能相互關聯，這可能會產生不正確的結論。最后，隨著記錄因素數量的增加，至少一個記錄因素與數據輸出高度相關的可能性會增加。

代替實驗控制，多元統計技術允許實驗控制與統計控制的近似，這解釋了可能影響因果關系的觀察因素的影響。在醫療保健和社會科學領域，研究人員可能會使用匹配來比較非隨機接受治療和對照的單位。一種常見的方法是使用傾向評分匹配，以減少混雜，雖然這最近受到批評的加劇它旨在解決那些問題。

CochraneCollaboration2014年的一份報告得出的結論是，觀察性研究與類似進行的隨機對照試驗報告的結果非常相似。換句話說，它幾乎沒有證據表明觀察性研究和隨機對照試驗之間的顯著效果估計差異，無論具體的觀察性研究設計、異質性或是否包含藥物干預研究。因此，它建議在探索隨機對照試驗和觀察性研究結果不一致的原因時，需要考慮研究設計本身以外的因素。