X1, X2, ..., Xn を、平均 μ および分散 σ2 の正規分布に従う確率変数とする。このとき、標本平均を
ここで、標本平均と母平均の差を測るために新しい確率変数 T を導入する。新しい確率変数を、標本平均および標本不偏分散を用いて次のようにする。(新しい確率変数 T の式は、粗雑に次のように置いたのではなく、裏に大数の法則・中央極限定理という思想があり、それをもとに次式のように置いてある。)
n が十分に大きければ、中心極限定理により T は、平均 0 および分散 1 の正規分布に従うことが知られている。
これに対して、n が小さいとき、T は自由度 ν = n - 1 の次式で表せる分布に従うことが、W.S. Gosset および R.A. Fisher によって示された。のちに、この分布は t 分布と呼ばれるようになった。
これにより、n が十分に大きくないときは t 分布を利用して、母平均の信頼区間を求めることができる。サンプルサイズが大きい時の母平均の区間推定と同様な手順で、小サンプルサイズの場合、母平均は確率 α で次の範囲内に収まる。