数理统计是概率论的应用，并且这种应用在自然科学、管理科学、工程技术、农林科学、计量经济学以及人文社科等学科中越来越广泛，几乎在人类活动的一切领域中都能不同程度地找到它的应用，且其研究内容也随着科技和社会的不断发展而迅速拓展。
随机性的普遍存在，为数理统计学的应用提供了一个广阔的用武之地。
（1）在农业方面，诸如在若干个种子品种中挑选一些优良品种，及通过田间试验决定种子最优的生产条件方面，“试验设计”及“方差分析”已经是常规手段；在工农业生产中，新产品、新工艺、新材料的开发研究，大批产品的抽样检验，元件和设备的可靠性分析等，皆依赖于统计方法。
（2）统计方法在医疗卫生中有广泛的应用。例如，一种药品的疗效如何，要通过细心安排的试验并使用正确的统计分析方法，才能比较可靠地做出结论。其他，如分析某种疾病的发生是否与特定因素有关（一个著名的例子是吸烟与患肺病的关系），关系大小如何，再比如在污染大气的许多有害成分中，哪些成分对人体有何种程度的影响，这些问题常常是用统计方法去研究的。
（3）现在用统计方法进行社会调查很普遍。如社会学家在研究各种社会问题，心理学家在研究各种心理学问题时，离不开实地调查的工作，而这些工作常用“抽样调查”的方式进行。统计方法在确定调查规模和制定适当的抽样方案，以及对所得来的资料进行正确分析上，都是很有用的。
（4）经济活动离不开种种数量指标及其关系，因而这个领域是统计方法得到较早和较多使用的一个领域。例如在市场预测方面，现在有一门“数量经济学”的学科，其内容主要就是将统计方法用于分析种种经济问题的数量方面。
（5）统计方法在气象预报、地震和地质探矿等方面有一些应用。在这类领域中，人们对事物的规律性认识尚不充分，使用统计分析方法可能有助于获得一些对潜在的规律性的认识，而用以指导人们的行动。不过，在人们对事物的规律性认识很不充分的情况下，一些起较大作用的系统性因素，只好当作随机性因素来处理，这样，统计分析的精度或可靠性就较差。
（6）自然科学的任务是揭示自然界的规律性。一般是先根据若干观察或试验资料提出某种初步理论或假说，然后再从种种途径通过试验去验证。统计方法在这里起相当的作用。一个好的统计方法有助于提取观察或试验数据中带根本性的信息，因而有助于提出正确的理论或假说。在有了一定的理论或假说后，统计方法可以指导人们如何去安排进一步的观察或试验，以使所得数据更有助于判定理论或假说是否正确。统计学同时也提供了一些理论上健全的方法，以估计观察或试验数据与理论的符合程度如何，一个著名的例子是遗传学中的孟德尔（Mendal）定律。这个根据观察资料提出的定律，经历了严格的统计检验。数量遗传学的基本定律——哈迪-温伯格（HardyWeinberg）平衡定律，也是属于这种性质。
综上所述，统计方法有很广泛的实用性，它与很多专门学科都有关系，而且随着计算机的普及和计算技术的廉价化，以前因计算上的困难而限制其应用的统计方法重新被不同领域的学者所认识而焕发出新的活力，从而为统计学的应用打开了一个前所未有的广阔空间。
