在六西格瑪管理改進階段，試驗設計(design of experiment, DOE)是應用最廣的工具，雖然需要付出一定的試驗成本，但是得到的改進效果也是最明顯的。

鑑於試驗設計在改進階段的重要性，在改進階段使用工具中試驗設計將作為重點進行介紹。　　 　　不過這並不意味著其他工具不適用，精益製造、“簡明”流程設計、QFD,FMEA同樣在改進階段可以給予專案團隊很大的幫助。　　 　　許多專案在形成改進方案時面臨的一個重要問題是：哪些自變數X顯著地影響著Y，怎樣去改變這些自變數X或者這些自變數X取什麼值時將會使Y達到最佳值。這時，認為可以使用的最主要的手段和工具就是試驗設計design of experiment，DOE:計劃安排一批試驗，並嚴格按計劃在設定的條件下進行這些試驗，獲得新資料，然後對之進行分析，獲得所需要的資訊，從而獲得改進的途徑。　　 　　進行試驗設計，需要企業為此提供試驗費用及試驗條件，但是在專案實施過程中，往往會出現試驗經費不足或試驗條件不具備的情況。隨著模擬技術的進步，大量的試驗可以透過計算機模擬來實現，不過建議專案團隊對試驗結果的最終驗證還是以實物驗證為主。　　 　　既然試驗設計所要達到的目的是分析出：“那些自變數X顯著地影響著y，這些自變數X取什麼值時將會使Y達到最佳值”，那麼前面所介紹的統計方法中也有與之類似的目的，那麼試驗設計與這些方法有什麼關係呢? 　　 　　分析階段利用歷史資料獲得一些資訊，並且可以使用統計方法對歷史資料加以分析，獲得相應的迴歸方程，得到Y與各個自變數X間的關係式。但這種關係的獲得是“被動”的，因為使用的是現成的資料，基於流程的現狀，只能處於“有什麼算什麼的”狀況。而在改進階段則要對現有流程進行改善，或者建立一個新的流程，面對的首要問題是如何有目的地獲得更有價值的資料，尋找它們的最佳組合，這就必然要用到試驗設計。當然，在試驗中獲得了資料之後要進行一系列分析工作，而其中最重要的一項是判斷響應變數Y是否受X的顯著影響，這時就要使用方差分析和迴歸分析方法。因此，方差分析和迴歸分析都是試驗設計分析中所使用的工具。