חוקרים שרוצים לקבוע את התפלגותם של מאפיינים מסוימים על פני שטח גיאוגרפי נתקלים בדרך כלל במגבלות דגימה. לדוגמה, חברת כרייה שרוצה לדעת את אחוזי העפרות במכרה אינה יכולה לבדוק כל סנטימטר בשטח המכרה כדי לקבוע את תכולתו. החברה עשויה להשתמש בדגימה מרחבית לבדיקת דגימות מייצגות בכל המכרה כדי לאמוד את הערך הכולל של המכרה.
בדגימה מרחבית נלקחים מספר דגימות לקביעת התוכן של אזור גיאוגרפי גדול יותר. כל נקודת דוגמה מכילה מידע על משתנה העניין באותו מקום מרחבי. ההתפלגות והתדירות הכוללת של משתני העניין מחושבים לאחר מכן עבור האזור כולו בהתבסס על תדירות והפצה של האלמנטים בכל הדגימה המרחבית אזור.
דגימה מרחבית היא קריטית לקביעת התוכן של שטחים גדולים. לימוד התכולה הכוללת של מסה יבשתית גדולה הוא בדרך כלל יקר מדי. דגימה מרחבית מאפשרת להסיק את התוכן במקום זאת על ידי עיון בפחות מאחוז אחד מהשטח הגיאוגרפי. לאחר איסוף הנתונים, הסטטיסטים יכולים להשתמש בשיטות כגון רגרסיה לינארית כדי להפיק את ההרכב הכללי של האזור הגיאוגרפי מהמידע הכלול בדגימות הבודדות.
אם התוכן של חלל לימוד משתנה בנקודות שונות בחלל, האזור נקרא הטרוגני. חללים הטרוגניים מאוד יכולים להיות קשים למחקר באמצעות דגימה מרחבית; אם דגימה מרחבית מפספסת חלק משטח השונה משאר השטח, אזי המסקנות שהושגו לגבי השלם מהליך הדגימה לא יהיו מדויקות. חשוב להימנע מהטיות דגימה בהתבסס על נוחות, כגון שחלקים של אזור קלים יותר או זולים יותר לגישה.
חוקרים יכולים ליישם טכניקות דגימה מרחבית כדי ללמוד מגוון רחב של נושאים. לדוגמה, חוקרי ערבות משתמשים בדגימה מרחבית כדי לקבוע את תכולת החי והצומח של ערבות שלמות על ידי דגימה של מיקומים מייצגים מסוימים. ניתן להשתמש בשיטות אלה גם ללימוד נוכחותם של מינים פולשים או בסכנת הכחדה בפארקים לאומיים ובאזורי טבע אחרים. שימושים ארגוניים וסוציולוגיים לדגימה מרחבית כוללים קביעת השקפות פוליטיות או העדפת מוצרים בתחומי שיווק שונים.