Thống kê là ngành sử dụng rộng rãi nhất của toán học trong nghiên cứu định lượng bên ngoài của các ngành khoa học vật lý, và cũng tìm thấy ứng dụng trong khoa học vật lý, chẳng hạn như trong cơ học thống kê. Phương pháp thống kê được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như kinh tế, khoa học xã hội và sinh học. Nghiên cứu định lượng bằng phương pháp thống kê bắt đầu với việc thu thập dữ liệu, dựa trên giả thuyết hay lý thuyết. Thông thường, một mẫu lớn các dữ liệu được thu thập - điều này sẽ yêu cầu xác minh, xác nhận và ghi âm trước khi phân tích có thể xảy ra. Gói phần mềm như SPSS và R thường được sử dụng cho mục đích này. Mối quan hệ nhân quả được nghiên cứu bằng cách thao tác các yếu tố ảnh hưởng đến suy nghĩ hiện tượng quan tâm trong khi kiểm soát các biến khác có liên quan đến các kết quả thí nghiệm. Trong lĩnh vực y tế, ví dụ, các nhà nghiên cứu có thể đo lường và nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ ăn và các hiệu ứng sinh lý đo lường như giảm cân, kiểm soát các biến quan trọng khác như tập thể dục. Cuộc điều tra định lượng dựa trên ý kiến thu thập từ dư luận được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện truyền thông, với các số liệu thống kê như tỷ lệ những người ủng hộ của một vị trí (thủ tướng, tổng thống) thường được báo cáo. Trong cuộc điều tra dư luận, người trả lời được hỏi một loạt các câu hỏi có cấu trúc và phản ứng của họ được lập bảng chi tiết. Trong lĩnh vực khoa học khí hậu, các nhà nghiên cứu biên dịch và so sánh số liệu thống kê như nhiệt độ hoặc nồng độ khí quyển của carbon dioxide.

Các mối quan hệ thực nghiệm và các liên quan thực nghiệm cũng thường xuyên được nghiên cứu bằng cách sử dụng một số hình thức của mô hình tuyến tính chung, mô hình phi tuyến tính, hoặc bằng cách sử dụng phân tích nhân tố. Một nguyên tắc cơ bản trong nghiên cứu định lượng là mối tương quan nào không bao hàm nhân quả, mặc dù một số chẳng hạn như Clive Granger cho thấy một loạt các mối tương quan có thể bao hàm một mức độ quan hệ nhân quả. Nguyên tắc này xuất phát từ thực tế rằng nó luôn luôn là một mối quan hệ có thể giả mạo tồn tại cho các biến giữa hiệp biến trong đó được tìm thấy trong mức độ nào đó. Các liên quan có thể được kiểm tra giữa bất kỳ sự kết hợp của các biến liên tục và phân loại bằng cách sử dụng các phương pháp thống kê.