Olasılıklı benzetim modeli bir yada birden fazla tesadüfi değişken içeren benzetim modelidir. Olasılıklı benzetim modeli kullanılarak elde edilen çıktı tesadüfi olup modelin karakteristiklerinin tahminidir. Olasılıklı benzetim modellerinde her bir çalıştırma istatistiksel olarak değişeceğinden doğru performans tahmini elde etmek için birden fazla tesadüfi çalıştırma yapılmalıdır. Olasılıklı benzetimlerde performans tahminleri tüm tekrarlamalar sonucunda elde edilen değerlerin ortalaması alınarak elde edilir. Bekleme hattı problemleri olasılıklı benzetime örnektir. Bekleme hattı problemlerinde gelişler arası ve hizmet süreleri genellikle tesadüfi değişkenlerdir.