İstatistik ve olasılık teorisi, veri biliminin matematiksel temelini oluşturur. Ham verilerdeki gürültüyü (hata) anlamak, veri dağılımlarını analiz etmek ve hipotez testleri yapmak tamamen istatistiksel yöntemlerle mümkündür.
Bir algoritmanın ürettiği sonuçların doğruluğunu ve güvenilirliğini (p-değeri, güven aralıkları) test etmek, doğru korelasyonları yakalamak istatistik bilimi sayesinde gerçekleşir. Matematiksel temel olmaksızın veri analitiği yapmak, yanıltıcı sonuçlara yol açabilir.