Termin „operacja” jest kluczowym pojęciem dyscypliny badań operacyjnych, na co wskazuje już samo jej nazwanie. Jednak w ramach tej dyscypliny termin ten ma ściśle zdefiniowane znaczenie. Ponieważ badania operacyjne rozwinęły się początkowo jako wsparcie wojskowego podejmowania decyzji, termin ten bliższy jest znaczeniowo pojęciu „operacja wojskowa”. Przedmiotem modelowania w badaniach operacyjnych jest operacja — celowe i kontrolowane działanie, wykorzystujące określony zestaw zasobów w ramach danych ograniczeń.
Operacja to zorganizowany przebieg działań, podporządkowany jednemu planowi i skierowany na osiągnięcie ustalonego celu (Wentzel, J. S.).
Na podstawie tej definicji warto zwrócić uwagę na dwie cechy.
Pierwsza cecha polega na tym, że operacja z natury ma charakter działaniowy; opiera się na trzech elementach: celu, środkach oraz przedmiocie działania (tym, na co działanie jest skierowane).
Druga cecha polega na tym, że operację można przedstawić jako system działań lub jako system celowo zorientowany. Pojęcie jednoczącego planu implikuje istnienie pewnego planu oraz wysiłek włożony w jego opracowanie.
Operacja jest zawsze przedsięwzięciem kontrolowanym: decydent (DM) ustala, w jaki sposób wybrać określone parametry operacji, a wybór tych parametrów wpływa na osiągnięcie celu. Konkretny wybór parametrów zależnych od decydenta stanowi decyzję. Decyzja optymalna to ta, która według jednego lub innego kryterium jest preferowana względem alternatyw. Metody badań operacyjnych służą jakościowemu i kwantytatywnemu uzasadnieniu decyzji optymalnych.
W miarę wzrostu skali i złożoności operacji coraz częściej napotyka się problemy optymalnego zarządzania „systemami złożonymi” — systemami składającymi się z dużej liczby elementów i podsystemów zorganizowanych na zasadzie hierarchicznej. Badania operacyjne są ściśle powiązane z podejściem systemowym oraz z teorią decyzji.