การวิจัยดำเนินการ (Operations Research หรือ OR) เป็นสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วิธีการหาค่าเหมาะที่สุดโดยอาศัยการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และแนวทางฮิวริสติกต่าง ๆ
วิธีการวิจัยดำเนินการถูกนำมาใช้ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องจัดระเบียบภารกิจที่มีจุดมุ่งหมายและสามารถดำเนินการได้มากกว่าหนึ่งวิธี นั่นคือ ต้องเลือกการตัดสินใจจากทางเลือกที่เป็นไปได้จำนวนหนึ่ง แต่ละทางเลือกมีข้อดีและข้อเสียบางประการ และเมื่อพิจารณาจากสถานการณ์ที่เป็นอยู่ ก็ไม่อาจสรุปได้ทันทีว่าทางเลือกใดดีกว่ากันและเพราะเหตุใด
เป้าหมายของการวิจัยดำเนินการคือการให้เหตุผลเชิงปริมาณเบื้องต้นสำหรับการตัดสินใจที่เหมาะที่สุด โดยอาศัยหน่วยวัดประสิทธิผลเป็นพื้นฐาน ส่วนการตัดสินใจที่แท้จริงนั้นอยู่นอกขอบเขตของการวิจัยดำเนินการ และเป็นหน้าที่ของผู้มีอำนาจตัดสินใจ (Decision Maker หรือ DM)
วิธีการวิจัยดำเนินการมีประสิทธิภาพสำหรับปัญหาที่มีโครงสร้างชัดเจน ปัญหาที่มีโครงสร้างชัดเจน (หรือปัญหาที่สามารถแปลงเป็นรูปแบบเป็นทางการได้ดี) สามารถกำหนดเป็นรูปแบบเชิงปริมาณได้ ความสัมพันธ์ที่สำคัญที่สุดของปัญหาถูกแสดงด้วยแบบจำลองที่เป็นทางการและนำเสนอในรูปสัญลักษณ์ ซึ่งสัญลักษณ์เหล่านั้นมีค่าเป็นตัวเลข ระเบียบวิธีของการวิจัยดำเนินการนอกจากการคำนวณแล้ว ยังให้ความสำคัญอย่างมากกับกระบวนการกำหนดปัญหา การเลือกแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ตลอดจนการตีความและการทำความเข้าใจผลลัพธ์จากการคำนวณ
งานส่วนใหญ่ในการวิจัยดำเนินการอาศัยวิธีการกำหนดการเชิงคณิตศาสตร์ ซึ่งแตกต่างจากวิธีการทางคณิตศาสตร์ล้วน ๆ ตรงที่วิธีเหล่านี้ให้เครื่องมือสำหรับการกำหนดปัญหา ให้ขอบเขตของผลเฉลยที่เป็นไปได้ และทางเลือกของผลเฉลย นอกจากนี้แบบจำลองกำหนดการเชิงคณิตศาสตร์ยังสามารถคำนึงถึงเกณฑ์หลายประการ (ในรูปของฟังก์ชันวัตถุประสงค์และข้อจำกัด) ซึ่งช่วยเพิ่มความเป็นภาวะวิสัยให้แก่การตัดสินใจ
นอกเหนือจากสาขาที่มุ่งเน้นแบบจำลองกำหนดการเชิงคณิตศาสตร์แล้ว การวิจัยดำเนินการยังครอบคลุมวิธีการและแบบจำลองที่อาศัยสถิติศาสตร์คณิตศาสตร์และทฤษฎีความน่าจะเป็น วิธีการของการวิจัยดำเนินการยังรวมถึงทฤษฎีเกม ตรรกศาสตร์คณิตศาสตร์ ทฤษฎีกราฟ และวิธีการอื่น ๆ ของคณิตศาสตร์ไม่ต่อเนื่อง
ผลจากสิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดสาขาย่อยที่แตกต่างกันหลายสาขาของการวิจัยดำเนินการ แต่ละสาขาตั้งอยู่บนพื้นฐานการประยุกต์ใช้วิธีการที่ต่างกัน ได้แก่ การควบคุมสินค้าคงคลัง การทดแทนอุปกรณ์ การจัดสรรทรัพยากร และการจัดตารางเวลา นั่นคือกลุ่มปัญหาที่มีรากฐานอยู่ในรูปแบบหลักของกำหนดการเชิงคณิตศาสตร์ ตลอดจนทฤษฎีแถวคอย แบบจำลองเชิงทฤษฎีเกมของความขัดแย้งและการแข่งขัน และอื่น ๆ