mały|316x316px|Rzutu monetą jest doświadczeniem losowym.
Doświadczenie losowe to eksperyment, który ma więcej niż jeden możliwy wynik. W teorii prawdopodobieństwa przez doświadczenie losowe rozumie się taki eksperyment, który spełnia trzy warunki: a) można go powtarzać w identycznych warunkach b) powtarzając go otrzymuje się różne wyniki, których nie da się przewidzieć c) częstości pojawiania się możliwych wyników przy dużej liczbie powtórzeń doświadczenia wykazują stabilność (a więc możemy przypisać im prawdopodobieństwo ich zajścia).
Wyniki doświadczenia losowego nazywa się zdarzeniami elementarnymi, a zbiór tych zdarzeń – przestrzenią zdarzeń elementarnych. Doświadczenie losowe, które ma dokładnie dwa różne możliwe wyniki nazywa się próbą Bernoulliego.
Doświadczenie, które ma tylko jeden możliwy wynik, nazywa się doświadczeniem deterministycznym.
Przykłady mały|250x250px|To, który plemnik wniknie do wnętrza komórki jajowej powodując poczęcie nowego organizmu jest procesem losowym. Poniżej zestawiono typowe przykłady doświadczeń losowych: