Hlboké učenie (nazývané aj hlboké štruktúrované učenie alebo hierarchické učenie) je druh strojového učenia, ktorý sa používa najmä pri určitých druhoch neurónových sietí. Rovnako ako pri iných druhoch strojového učenia môžu byť relácie učenia bez dohľadu, s čiastočným dohľadom alebo s dohľadom. V mnohých prípadoch sú štruktúry organizované tak, že medzi vstupnou a výstupnou vrstvou je aspoň jedna medzivrstva (alebo skrytá vrstva).
Niektoré úlohy, ako napríklad rozpoznávanie a porozumenie reči, obrázkov alebo rukopisu, sú pre ľudí jednoduché. Pre počítač sú však tieto úlohy veľmi náročné. Vo viacvrstvovej neurónovej sieti (ktorá má viac ako dve vrstvy) sa spracúvané informácie stanú abstraktnejšími s každou pridanou vrstvou.
Modely hlbokého učenia sú inšpirované vzormi spracovania informácií a komunikácie v biologických nervových systémoch; v mnohých ohľadoch sa líšia od štrukturálnych a funkčných vlastností biologických mozgov (najmä ľudského mozgu), čo ich robí nekompatibilnými s dôkazmi neurovedy.
