Η βαθιά μάθηση (που ονομάζεται επίσης βαθιά δομημένη μάθηση ή ιεραρχική μάθηση) είναι ένα είδος μηχανικής μάθησης, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως με ορισμένα είδη νευρωνικών δικτύων. Όπως και με άλλα είδη μηχανικής μάθησης, οι συνεδρίες μάθησης μπορούν να είναι μη επιβλεπόμενες, ημι-επιβλεπόμενες ή επιβλεπόμενες. Σε πολλές περιπτώσεις, οι δομές οργανώνονται έτσι ώστε να υπάρχει τουλάχιστον ένα ενδιάμεσο στρώμα (ή κρυφό στρώμα), μεταξύ του στρώματος εισόδου και του στρώματος εξόδου.
Ορισμένες εργασίες, όπως η αναγνώριση και η κατανόηση της ομιλίας, των εικόνων ή του γραφικού χαρακτήρα, είναι εύκολο να γίνουν από τον άνθρωπο. Ωστόσο, για έναν υπολογιστή, αυτές οι εργασίες είναι πολύ δύσκολο να γίνουν. Σε ένα νευρωνικό δίκτυο πολλαπλών στρωμάτων (που έχει περισσότερα από δύο στρώματα), οι πληροφορίες που επεξεργάζονται γίνονται πιο αφηρημένες με κάθε πρόσθετο στρώμα.
Τα μοντέλα βαθιάς μάθησης είναι εμπνευσμένα από τα μοτίβα επεξεργασίας πληροφοριών και επικοινωνίας στα βιολογικά νευρικά συστήματα- διαφέρουν από τις δομικές και λειτουργικές ιδιότητες των βιολογικών εγκεφάλων (ιδίως του ανθρώπινου εγκεφάλου) με πολλούς τρόπους, γεγονός που τα καθιστά ασύμβατα με τις αποδείξεις των νευροεπιστημών.
