แม้ว่าวิชาวิทยาการระบาดในบางครั้งจะเป็นเหมือนกลุ่มของเครื่องมือทางสถิติเพื่อช่วยในการหาความสัมพันธ์ของปัจจัยเสี่ยงและผลลัพธ์ทางสุขภาพ แต่การจะทำความเข้าใจให้ลึกลงไปในศาสตร์แขนงนี้คือการค้นหาความสัมพันธ์เกี่ยวกับสาเหตุ (causal relationships)

แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำนายอย่างถูกต้องแม่นยำว่าระบบทางกายภาพที่ง่ายที่สุดจะแสดงอย่างไรในอนาคตข้างหน้า เช่นกันกับสาขาวิชาที่ซับซ้อนอย่างวิทยาการระบาด ซึ่งต้องอาศัยชีววิทยา, สังคมศาสตร์, คณิตศาสตร์, สถิติศาสตร์, มานุษยวิทยา, จิตวิทยา และนโยบาย จึงมีคำกล่าวโดยทั่วไปในงานเขียนเชิงวิทยาการระบาดว่า "ความสัมพันธ์กันไม่ได้บอกเป็นนัยถึงความเป็นเหตุผลกัน" สำหรับนักวิทยาการระบาดจะใช้ศัพท์ว่า การอนุมาน (inference) นักวิทยาการระบาดจะรวบรวมข้อมูลและทฤษฎีต่างๆ เกี่ยวกับชีวเวชศาสตร์และจิตสังคมในวิธีทำซ้ำเพื่อสร้างหรือขยายความทฤษฎี, เพื่อทดสอบสมมติฐาน, และเพื่อการศึกษา เพื่อยืนยันว่าความสัมพันธ์ใดที่เป็นเหตุเป็นผล และเป็นเหตุเป็นผลกันอย่างไร นักวิทยาการระบาด รอธแมนและกรีนแลนด์ (Rothman and Greenland) ได้ให้ความสำคัญว่า ความเข้าใจที่ว่า "1 สาเหตุ - 1 ผล" นั้นเป็นความเข้าใจที่ผิด ผลลัพธ์ส่วนใหญ่ไม่ว่าจะเป็นการป่วยหรือการตายนั้นมีสาเหตุมาจากสาเหตุย่อยๆ หลายอย่างประกอบกันเป็นห่วงโซ่หรือโครงข่าย