A pesquisa operacional (PO), ou investigação operacional (IO), é um ramo interdisciplinar da matemática aplicada que faz uso de modelos matemáticos, estatísticos e de algoritmos na ajuda à tomada de decisão. É usada sobretudo para analisar sistemas complexos do mundo real, tipicamente com o objetivo de melhorar ou otimizar a performance.

A PO não é uma ciência em si, apesar de, às vezes, ser considerada um subcampo das ciências matemáticas. Ela é a aplicação da ciência à solução de problemas gerenciais e administrativos, e centra-se no desempenho de sistemas organizados como um todo, em vez de suas partes tomadas separadamente.

Empregando técnicas de outras ciências matemáticas, como modelagem, estatística e otimização, a pesquisa operacional chega a soluções ótimas ou quase ótimas para problemas complexos de tomada de decisão. A PO geralmente se preocupa em determinar os valores extremos de alguma situação do mundo real: o máximo (de lucro, desempenho ou rendimento) ou mínimo (de perda, risco ou custo). Originada em esforços militares antes da Segunda Guerra Mundial, suas técnicas têm crescido para ajudar a resolver problemas encontrados em uma variedade de indústrias.