On nomme plan d'expérience la suite ordonnée d'essais d'une expérimentation, chacune permettant d'acquérir de nouvelles connaissances en contrôlant un ou plusieurs paramètres d'entrée pour obtenir des résultats validant un modèle avec une bonne économie (nombre d'essais le plus faible possible, par exemple).
Un exemple classique est le « plan en étoile » où en partant d'un jeu de valeurs choisi pour les paramètres d'une expérience centrale, on complète celle-ci par des expériences où chaque fois un seul des facteurs varie « toutes choses égales par ailleurs ».
Un type de plan plus exhaustif est le plan factoriel consistant à choisir des valeurs pour chacun des facteurs en faisant varier simultanément tous les facteurs (de façon exhaustive ou non). Le nombre d'essais peut alors devenir très grand (explosion combinatoire).