在整群抽样中，当群的规模比较大时，没有必要对群内所有次级单元进行调查，可以对每个被抽到的群中的次级单元再次进行抽样。从总体中抽取的初级单元称为第一阶抽样；从每个被抽中的一级单元中抽取的次级单元称为第二阶抽样，又称二重抽样。二阶抽样包括初级单元大小相等情形和不相等情形。

1944年，印度统计学家P.C.马哈拉诺比斯（Prasanta Chandra Mahalanobis，1893～1972）指出，在抽样过程中，如果随机化只进行一次，称为一阶抽样；如果随机化在两个或两个以上阶段的每个阶段中进行，则称为多阶抽样。多阶抽样中最简单的是二阶抽样，即在整群抽样的基础上，对抽样的群不是全面调查，而是只抽取部分单位进行调查。

设为总体第个初级单元中第个次级单元的指标值，，，为样本中第个初级单元第个次级单元的指标值，，。

第一阶抽样和第二阶抽样的抽样比：

，

总体与样本第个初级单元的指标和：

，

总体与样本第个初级单元指标按次级单元的均值：

，

总体与样本按次级单元的均值：

，

总体与样本初级单元间的方差：

，

总体与样本初级单元内的方差：

，

总体平均数的估计：

总体平均数方差与标准差的估计：

总体平均数置信度为1-的置信区间：

总体总量的估计：

总体总量估计量的方差与标准差估计：

总体总量置信度为1-的置信区间：

相对误差：

估计精度：

设为总体第个初级单元中第个次级单元的指标值，，，是总体中次级单元的总数，为样本中第个初级单元第个次级单元的指标值，，，与分别是第一阶抽样与第二阶抽样的样本量。

第一阶抽样和第二阶抽样的抽样比：

，

总体与样本第个初级单元的指标和：

，

总体与样本指标总量：

，

总体与样本第个初级单元指标按次级单元的均值：

，

总体与样本按次级单元的均值：

总体与样本按初级单元的均值：

，

总体与样本初级单元内的方差：

，

总体平均数的估计：

总体平均数方差与标准差的估计：

式中，。

总体平均数置信度为1-的置信区间：

总体总量的估计：

总体总量估计量的方差与标准差估计：

总体总量置信度为的置信区间：

相对误差：

估计精度：

二阶抽样保持了一阶整群抽样样本单元相对集中的特点，因此与简单随机抽样相比具有实施方便，每个基本单元调查费用低的特点。由于对每个被抽中的初级单元进行再抽样进一步降低了调查成本，因此二阶抽样保持了整群抽样的优点，同时克服了它的缺点。