El término «operación» es el concepto clave de la disciplina Investigación de operaciones, como indica su propio nombre. Sin embargo, dentro de la disciplina, el término tiene un significado estrictamente definido. Dado que en sus orígenes la investigación de operaciones se formó para fundamentar las decisiones de la dirección militar, el término está más próximo al de «operación militar». El objeto de modelado en la investigación de operaciones es la operación: una actividad intencionada y controlada, que emplea un conjunto concreto de recursos en condiciones de restricciones determinadas.
Una operación es una actuación unida por un plan único y orientada a la consecución del objetivo fijado (Ventsel, E. S.).
Partiendo de esta definición, conviene señalar dos particularidades.
La primera consiste en que la operación tiene un carácter de actividad y se basa en tres componentes: el objetivo, los medios y el objeto de la actividad (aquello hacia lo que se dirige la actividad).
La segunda particularidad consiste en que la operación puede representarse como un sistema de acciones o un sistema orientado a un fin. El plan implica la existencia de un diseño determinado y de los esfuerzos dedicados a su elaboración.
La operación es siempre una actuación controlada: de un determinado decisor depende el modo de elegir unos u otros parámetros de la operación, y la elección de estos parámetros influye en la consecución del objetivo. La elección concreta de los parámetros que dependen del decisor constituye la decisión. Será óptima aquella decisión que, por unos u otros criterios, resulte preferible a las demás. Los métodos de la investigación de operaciones están destinados a la fundamentación cualitativa y cuantitativa de las decisiones óptimas.
Debido al crecimiento de la escala y la complejidad de las operaciones, con frecuencia es necesario abordar problemas de gestión óptima de «sistemas complejos» que incluyen un gran número de elementos y subsistemas organizados según un principio jerárquico. La investigación de operaciones está estrechamente vinculada al enfoque sistémico y a la teoría de la decisión.