Les tècniques de la investigació operativa són particularment útils en l’equilibrament d’objectius conflictius amb un gran nombre de línies d’acció alternatives, amb conflictes d’interessos i amb un gran nombre de variables complexes i interaccionants. La investigació operativa s’utilitza per a conduir i coordinar les operacions o les activitats dins un sistema organitzat (empresa, administració pública, etc.), i els estudis que en són el resultat intenten proporcionar a l’executiu una base sòlida, científica i quantitativa per a la presa de decisions. Es caracteritza també per l’aplicació del mètode científic mitjançant equips interprofessionals, que intenten resoldre els problemes amb un enfocament global, i que veuen l’organització com un sistema en el qual cal prendre decisions enfront de situacions en què hi ha relacions complexes, incertesa, riscos, conflictes d’interessos i línies d’acció alternatives. Les etapes d’un estudi d’investigació operativa són normalment aquestes: anàlisi del sistema estudiat, construcció d’un model matemàtic que representi aquest sistema, determinació d’una solució a partir del model, validació del model i de la solució obtinguda, control del model i de la solució, i utilització efectiva dels resultats. El sistema objecte de l’estudi es considera com un conjunt d’elements interrelacionats orientats a un fi comú, situat en un context, anomenat entorn, i que pot influir sobre el conjunt o els seus elements. Els diferents elements del sistema no poden ser estudiats aïlladament, i l’estructura de les relacions entre uns i altres té tanta importància com l’estudi aïllat de cadascun. Els elements del sistema es caracteritzen per uns atributs representats formalment per variables matemàtiques; les relacions entre els elements, i entre aquests i l’entorn, donen lloc a equacions que relliguen aquestes variables. El conjunt constitueix un model matemàtic. L’establiment d’aquest model requereix normalment diferents etapes, a mesura que s’obtenen dades sobre el sistema, així com els valors dels seus paràmetres, i a mesura que es formalitzen les relacions entre les variables. Una vegada s’ha obtingut el model, caldrà trobar la solució que faci màxima (optimitzi) una certa funció U, respectant els lligams o les restriccions, i caldrà validar-los, en el sentit de comprovar que el model representa amb prou aproximació el comportament del sistema i que la solució és practicable. No sempre és possible trobar l’esmentada solució òptima per mitjans analítics; en aquests casos cal emprar mètodes de simulació, heurístics o d’exploració dirigida que permeten, simplement, analitzar el comportament del model o bé trobar solucions, dites admissibles, encara que no constitueixin una solució òptima.
La investigació operativa tingué el seu origen en la Segona Guerra Mundial. A causa de l’avançament de la tecnologia i de les noves estructures dels exèrcits on s’havia introduït l’especialització o la divisió del treball, es feu necessari l’ajut de científics i investigadors que aprofitessin millor els nous mitjans. El primer estudi consistí a tractar d’augmentar el temps entre la primera alerta donada pel radar i l’instant en què començava l’atac aeri, i també de disminuir el temps entre la primera alerta i l’instant d’iniciació de la resposta. El primer equip, constituït formalment a la Gran Bretanya, fou dirigit pel físic P.M.S. Blackett, i el formaven dos fisiòlegs, dos físics matemàtics, un astrofísic, un oficial de l’exèrcit de terra i un enginyer topògraf; posteriorment s’hi afegiren un altre fisiòleg, un físic i dos matemàtics. L’èxit dels estudis realitzats feu estendre aquest tipus d’equips a diverses unitats de l’exèrcit. També se’n crearen als EUA, a partir del 1942. Sovint s’esmenta com a exemple la composició dels combois aliats que creuaven l’Atlàntic Nord, i la graduació de les càrregues de profunditat antisubmarines llançades per l’aviació, que s’havien graduat a 30 m de profunditat, on tenien el màxim efecte potencial, però obtenien un resultat molt pobre. L’estudi portà a la conclusió que, quan l’avió descobria el submarí, aquest era a la superfície, i fins i tot en el cas que se submergís, quan explotava la càrrega encara romania dins la zona en què podia afectar-lo l’explosió. Graduant les càrregues a 7 m, aconseguiren quadruplicar el nombre d’impactes. A l’acabament de la guerra, tant a la Gran Bretanya com als EUA es començaren a utilitzar aquests mètodes en la indústria i l’administració pública.
D’aleshores ençà, la investigació operativa ha estat utilitzada pràcticament en totes les àrees dins les empreses industrials i de serveis, per exemple en l’àrea financera i d’inversió, per a la selecció de carteres, estudis de diversificació i adquisició, planificació a llarg termini; en l’àrea de producció, per a la planificació i la programació de les fabricacions, el control dels estocs, compres, manteniment, problemes de cues, etc. També han estat nombroses les aplicacions dins l’àrea del màrqueting i la distribució: afectació de l’esforç de vendes, publicitat, avaluació de l’efectivitat de les campanyes publicitàries, previsió de la demanda, situació de magatzems. Són nombroses les tècniques matemàtiques que han estat desenvolupades com a conseqüència dels problemes plantejats per la investigació operativa. En són exemples la programació matemàtica (lineal i no lineal), la programació dinàmica, la teoria de grafs, el mètode de Montecarlo, la teoria dels jocs i la teoria de cues.