O termo "operação" é o conceito-chave da disciplina de pesquisa operacional, como o próprio nome sugere. Dentro da disciplina, contudo, o termo carrega um significado estritamente definido. Como a pesquisa operacional foi originalmente desenvolvida para apoiar a tomada de decisão militar, o termo se aproxima mais do sentido de "operação militar". O objeto de modelagem na pesquisa operacional é uma operação — uma atividade proposital e controlada que emprega um conjunto específico de recursos sob determinadas restrições.
Uma operação é um curso de ação organizado, regido por um plano único e direcionado à consecução de um objetivo declarado (Wentzel, Ye. S.).
Com base nessa definição, duas características merecem atenção.
A primeira característica é que uma operação é, por natureza, baseada em atividade; ela se apoia em três componentes: o objetivo, os meios e o objeto da atividade (aquilo a que a atividade se dirige).
A segunda característica é que uma operação pode ser representada como um sistema de ações ou como um sistema orientado a objetivos. O conceito de um plano unificador implica a existência de um determinado plano e do esforço dedicado à sua elaboração.
Uma operação é sempre um empreendimento controlado: um tomador de decisão (TD) determina como selecionar certos parâmetros da operação, e a escolha desses parâmetros afeta a consecução do objetivo. A escolha específica dos parâmetros que dependem do TD constitui uma decisão. A decisão ótima é aquela que, segundo um critério ou outro, é preferível às alternativas. Os métodos da pesquisa operacional destinam-se à justificativa qualitativa e quantitativa de decisões ótimas.
À medida que as operações crescem em escala e complexidade, torna-se cada vez mais necessário enfrentar problemas de controle ótimo de "sistemas complexos" — sistemas compostos por um grande número de elementos e subsistemas organizados segundo um princípio hierárquico. A pesquisa operacional está estreitamente ligada à abordagem sistêmica e à teoria da decisão.