Pesquisa operacional (PO) é uma disciplina científica voltada para o desenvolvimento e a aplicação de métodos de otimização baseados em modelagem matemática e diversas abordagens heurísticas.
Os métodos da pesquisa operacional são aplicados em situações em que um empreendimento com propósito definido precisa ser organizado e pode ser realizado de mais de uma maneira — ou seja, quando é necessário escolher uma decisão entre várias alternativas possíveis. Cada alternativa apresenta certas vantagens e desvantagens, e, dadas as circunstâncias vigentes, não é imediatamente claro qual alternativa é preferível e por quê.
O objetivo da pesquisa operacional é fornecer uma justificativa quantitativa preliminar para decisões ótimas, fundamentada em uma medida de eficácia. A tomada efetiva da decisão está fora do escopo da pesquisa operacional e cabe à competência do responsável pela decisão (tomador de decisão).
Os métodos de pesquisa operacional são eficazes para problemas bem estruturados. Problemas bem estruturados (ou bem formalizáveis) admitem uma formulação quantitativa; suas dependências mais essenciais são expressas por modelos formais e representadas de forma simbólica, em que os símbolos assumem valores numéricos. A metodologia da pesquisa operacional, além do cálculo, dedica atenção especial ao processo de formulação do problema, à escolha dos modelos matemáticos e à interpretação e compreensão dos resultados computacionais.
Boa parte do trabalho em pesquisa operacional baseia-se em métodos de programação matemática. Diferentemente dos métodos puramente matemáticos, esses fornecem ferramentas para a formulação do problema, geram uma região de soluções viáveis e alternativas de solução. Além disso, um modelo de programação matemática pode considerar múltiplos critérios (na forma de função objetivo e restrições), o que aumenta a objetividade da tomada de decisão.
Além do ramo orientado para modelos de programação matemática, a pesquisa operacional também abrange métodos e modelos fundamentados na estatística matemática e na teoria da probabilidade. Os métodos da pesquisa operacional incluem ainda a teoria dos jogos, a lógica matemática, a teoria dos grafos e outros métodos da matemática discreta.
Como resultado, surgiram diversos ramos distintos da pesquisa operacional, cada um fundamentado na aplicação de diferentes métodos: controle de estoque, substituição de equipamentos, alocação de recursos e programação de tarefas — ou seja, classes de problemas enraizadas nas principais formulações da programação matemática — além da teoria das filas, de modelos de teoria dos jogos de conflito e competição, entre outros.