Rancangan percobaan/ design of experiments (DOE) perlu dibuat sebelum melakukan percobaan baik di lapangan maupun di laboratorium. Tujuan utama dari percobaan adalah untuk menduga sesuatu sehingga dibutuhkan penduga yang tidak bias dan ragam yang rendah (atau presisi yang tinggi), dengan kata lain untuk menguji hipotesis. DOE yang efektif lebih membutuhkan pemikiran yang baik tentang bidang penerapan dari DOE tersebut dibandingkan dengan perhitungan matematis dari DOE.
Sebuah kebenaran umum bahwa DOE yang dirancang dengan baik membutuhkan analisis statistika yang lebih sederhana daripada DOE yang dirancang dengan kurang baik. DOE yang tidak didesain dengan efektif akan berdampak pada pemborosan usaha dan sumberdaya yang telah diinvestasikan bahkan hal yang paling buruk adalah tidak ada hasil sama sekali. DOE lebih kepada kepercayaan diri terhadap data yang diperoleh terutama mengenai pengukurannya apakah pengukuran yang telah dilakukan sesuai dengan pengukuran yang dipikirkan/ direncanakan dan kesimpulan apa saja yang dapat diambil dari percobaan tersebut.
Ada beberapa element penting dalam percobaan yaitu perlakuan, unit percobaan, dan respon. Perlakuan adalah prosedur/ cara yang diterapkan pada setiap unit percobaan sedangkan unit percobaan adalah unit (subyek, tanaman, pot, atau binatang) yang secara acak diberikan perlakuan. Faktor yang merupakan variabel independen (bebas) adalah kategori (bentuk umum) dari perlakuan yang dapat berupa perlakuan kuantitative ataupun kualitatif, seperti dosis pupuk (dalam kg) atau jenis pupuk (organic dan anorganik). Faktor dapat terdiri atas beberapa level/ taraf misalnya faktor dosis pupuk mempunyai tiga taraf yaitu 5 g/ha, 10 g/ha, dan 15g/ha. Hasil percobaan yang diukur/ diamati adalah respon (variabel dependen/ terikat). Nilai respon diperoleh dari unit sampel yaitu obyek yang diukur dalam percobaan.
Ada tiga prinsip dasar DOE perlu diperhatikan yaitu pengacakan, pengulangan, dan blocking atau lokal kontrol. Metode statistika membutuhkan asumsi bahwa obyek (atau galat) harus terdistribusi saling bebas, pengacakan biasanya membuat asumsi ini valid. Efek dari faktor luar yang mungkin ada juga dapat dikeluarkan dengan pengacakan yang layak.
Pengulangan adalah pengulangan yang bebas/ independen pada setiap faktor di unit percobaan. Pengulangan indepeden dihasilkan dari individu yang tidak saling terhubung yaitu jika pengukuran dari satu individu tidak memberikan gambaran terhadap pengukuran individu yang lain dapat dikatakan bahwa individu-individu tersebut saling bebas/ independen. Peningkatan jumlah pengulangan akan menurunkan keragaman (meningkatkan presisi) karena meningkatkan jumlah n, ingat bahwa ragam dari rataan mempunyai komponen n pada penyebutnya. Ulangan adalah pengulangan pada percobaan yang dilakukan dengan mengulang unit percobaan.
Sebagai ilustrasi pengulangan, misalkan tanaman ditumbuhkan di pot-pot, ada tiga perlakuan pupuk yang berbeda diberikan pada pot-pot. Setelah beberapa waktu, berat kering tanaman ditimbang. Unit percobaannya disini adalah pot, bukan tanaman didalam pot, sehingga menambah jumlah pot dengan tanaman didalamnya yang disebut dengan pengulangan.
Pengulangan mempunyai dua kepentingan yaitu pertama untuk menduga galat percobaan yang menjadi unit dasar untuk menentukan apakah perbedaan yang teramati benar-benar beda secara statistik. Kedua, menghasilkan rataan contoh yang digunakan untuk menduga rataan respon sebenarnya, sehinggal pengulangan akan memberikan nilai dugaan yang presisinya lebih baik. Perlu diperhatikan bahwa pengulangan (pada unit percobaan) dan pengamatan berulang (misalnya pada data longitudinal, yaitu data pengamatan dari obyek yang sama dan diukur berulang) berbeda.
Selanjutnya adalah lokal kontrol atau blocking yaitu teknik desain untuk mengurangi keragaman (meningkatkan presisi) yang ditimbulkan oleh faktor yang dapat mempengaruhi percobaan tetapi kita tidak tertarik terhadap faktor tersebut (tidak masuk dalam uji hipotesis). Gagasan dibalik lokal kontrol adalah untuk membandingkan sesuatu yang sebanding (“apel” vs “apel”).
Terakhir, DOE secara umum dapat disebut dengan rancangan statistika (Statistical Design) karena terdiri atas rancangan perlakuan dan rancangan percobaan/ lingkungan itu sendiri. Rancangan perlakuan adalah cara bagaimana level/ taraf dari perlakuan disusun dalam sebuah percobaan. Rancangan ini dapat berupa tersilang (factorial) atau tersarang (nested). Rancangan perlakuan yang digunakan akan tercermin dalam layout data. Sedangkan rancangan percobaan adalah cara bagaimana pengacakan dari unit percobaan diterapkan dan bagaimana data di kumpulkan. Konsekuensi dari rancangan percobaan/ lingkungan adalah struktur galat percobaan yang berbeda yang akan berdampak pada perhitungan F hitung.