A aleatoriedade está relacionada ao conceito de imprevisibilidade: dado um número (ou sequência de números) você ser incapaz de prever qual será o próximo número. Além disso, outros requisitos podem estar presentes, como a probabilidade de cada número dentro do domínio ser sorteado (que, em geral, deve ser a mesma).
Os computadores em geral são determinísticos, ou seja: o mesmo programa executado duas vezes com todas as entradas idênticas irão produzir duas saídas idênticas. Por essa razão, uma fonte externa é necessária para se produzir resultados realmente aleatórios. Isso não é algo que o computador consiga produzir por si só.
Como uma fonte dessas raramente está presente, diversos algoritmos foram concebidos para produzir sequências de números que são - até certo grau - indistinguíveis de uma sequência aleatória, a partir de um único valor de partida (semente, ou seed). Esse valor de partida tem de ser diferente a cada invocação do programa, mas não precisa necessariamente ser aleatório, por isso uma fonte muito utilizada é o relógio do sistema. Algoritmos desse tipo são chamados de Geradores de Números Pseudo-Aleatórios (PRNG).
Algumas aplicações, como criptografia, exigem que as sequências geradas sejam realmente imprevisíveis sem o conhecimento da(s) fonte(s) externa(s). Um PRNG comum pode ter sua semente "adivinhada" após a observação de um número finito (e computacionalmente falando, não muito grande) de números gerados anteriormente. Isso não é um problema em domínios como simulações (pois basta que a sequência pareça aleatória), mas quando a segurança de um sistema e/ou a confidencialidade de uma comunicação depende dessa aleatoriedade, um algoritmo mais sofisticado se faz necessário (um CSPRNG - PRNG Criptogtraficamente Seguro).
Uma forma de se fazer isso é gerar uma sequência de números pseudo-aleatórios usando como semente uma chave secreta. Isso é feito através de um simples contador (zero, um, dois...) onde cada elemento é criptografado ou hasheado com o auxílio dessa chave. Essa é, inclusive, a maneira como a maioria das cifras de fluxo (stream cipher) funcionam: gere uma sequência aleatória de bytes, e combine essa sequência com os dados usando XOR.
Quando uma semente secreta não está disponível, então só resta recorrer a outras fontes externas, como mencionado anteriormente. Vários eventos do próprio computador podem ser considerados "imprevisíveis", como: a) as teclas digitadas pelo usuário ou o movimento do mouse; b) a data de criação dos diversos arquivos (ou mesmo seu conteúdo); c) os dados históricos de utilização da CPU; etc. Nem sempre a entropia (desordem, imprevisibilidade) desses eventos é suficiente, mas sua combinação com um PRNG pode aumentar amplamente a qualidade do mesmo. Como mencionado em outra resposta, os números gerador por um PRNG comum começam a repetir após um determinado período. Se o mesmo for combinado com dados de fontes externas (mistura, ou mixing) esse período pode ser bastante alongado - o que é suficiente para muitas aplicações práticas.
Por fim, se nada disso for suficiente, só resta o uso de módulos de hardware (provavelmente envolvendo mecânica quântica) ou dados de sistemas externos. O site random.org, por exemplo, gera uma sequência de números aleatórios baseado em informações atmosféricas (atmospheric noise) - que são tão imprevisíveis com a tecnologia atual que podem ser considerados "realmente aleatórios". Naturalmente, não se deve usá-los para operações confidenciais (como a geração de senhas e chaves) pois eles provém de terceiros, mas para aplicações científicas ou talvez sorteios em jogos de azar, eles podem ser uma boa alternativa.