Trong lý thuyết xác suất, không gian mẫu hay không gian mẫu toàn thể, thường được ký hiệu là S, Ω hay U (tức "universal set"), của một thí nghiệm hay của một phép thử ngẫu nhiên là tập hợp của tất cả các kết quả có thể xảy ra. Ví dụ, trong thí nghiệm tung một đồng xu, không gian mẫu của thí nghiệm đó là tập hợp {ngửa, sấp}. Còn đối với thí nghiệm tung một con xúc xắc có sáu mặt thì, không gian mẫu là tập {1, 2, 3, 4, 5, 6}. Bất kì tập hợp con nào của không gian mẫu đều thường được gọi là một biến cố, khi tập con của không gian mẫu chỉ chứa một phần tử thì được gọi là biến cố cơ bản. Mỗi phần tử của không gian mẫu được gọi là một mẫu.