Yöneylem araştırması (Amerikan İng. Operations Research; İngiliz İng. Operational research); belirli kısıtların olduğu bir durumda, belirli bir amaca yönelik en uygun çözümün bulunması için geliştirilmiş bir yöntemdir.

Yöneylem araştırması; bir organizasyon içinde operasyonların koordinasyonu ve yürütmesi ile ilgili dünyanın gerçek karmaşık sorunları için fikir üretmede matematiksel modelleme, istatistikalgoritma gibi bilimsel yöntemleri kullanan disiplinlerarası bir bilimdir. Organizasyonun doğası maddi değildir. Soruna bilimsel olarak en uygun çözümü sağlamak için bu bilimi kullandıktan sonraki hedef organizasyonun performansını iyileştirmek ve optimize etmektir. ve
Yöneylem araştırmasının İngilizce adındaki "operation" kavramı 2. Dünya Savaşı sırasındaki askeri operasyonları anlatmak için kullanılmıştır. 1969 yılına kadar Harekat Araştırması olarak Türkiye'de öncelikle askeri kurumlarda, daha sonra üniversiteler ile kamu kurumlarında kullanılmıştır. Yöneylem Araştırması Derneği'nin (YAD) kurucuları arasında da yer alan Halim Doğrusöz'ün önerisi ile bu disiplinlerarası bilim dalı Yöneylem Araştırması olarak tanınır hale gelmiştir.

Kavramsal açıdan Yöneylem Araştırması ile Yönetim Bilimi (Management Science) modern bilim açısından aynı anlamdadır. Yönetim Bilimi (ya da Yöneylem Araştırması), işletmecilik alanındaki örgütsel çalışmaları ele alan Yönetim Bilimleri ile birbirlerinden kuramsal olarak ayrılan dallar olarak ele alınmaktadır.

Yöneylem araştırması endüstri mühendisliği ile yakından ilişkilidir. Endüstri mühendisliği mühendis bakış açısıyla yöneylem araştırması tekniklerini başlıca araç olarak düşünürler.

Yöneylem araştırmacıları tarafından kullanılan öncelikli araçlar istatistik, optimizasyon, rassallık, kuyruk kuramı, oyun kuramı, çizge kuramı, karar analizi ve simülasyondur. Bu alanların sayısal niteliğinden dolayı yöneylem araştırması bilgisayar bilimleri ile de ilgilidir. Dolayısıyla yöneylem araştırmacıları özel olarak yazılmış ya da hazır yazılımları kullanırlar.

Yöneylem araştırması, spesifik elemanlara yönelmektense sistem genelini ele alarak bütünüyle geliştirme yeteneğiyle diğerlerinden ayrılır. Yeni bir problemle karşılaşan yöneylem araştırmacısının hangi tekniklerin sistemin doğasına, geliştirme hedeflerine, zaman ve hesap gücü kısıtlarına en yatkın olduğuna karar vermesi beklenir. Bu ve diğer nedenlerden ötürü insan etkeni yöneylem araştırması için yaşamsaldır. Öteki herhangi araçlar gibi yöneylem araştırması teknikleri problemleri kendi başlarına çözemezler.