Diep leren (ook wel diep gestructureerd leren of hiërarchisch leren genoemd) is een vorm van machinaal leren, die vooral wordt gebruikt met bepaalde soorten neurale netwerken. Net als bij andere vormen van machinaal leren kunnen de leersessies onbewaakt, semi-bewaakt of begeleid zijn. In veel gevallen zijn de structuren zo georganiseerd dat er ten minste één tussenlaag (of verborgen laag) is, tussen de inputlaag en de outputlaag.
Bepaalde taken, zoals het herkennen en begrijpen van spraak, beelden of handschrift, zijn voor mensen gemakkelijk uit te voeren. Voor een computer zijn deze taken echter zeer moeilijk uit te voeren. In een meerlagig neuraal netwerk (met meer dan twee lagen) zal de verwerkte informatie abstracter worden met elke toegevoegde laag.
Deep learning-modellen zijn geïnspireerd op informatieverwerkings- en communicatiepatronen in biologische zenuwstelsels; zij verschillen in vele opzichten van de structurele en functionele eigenschappen van biologische hersenen (met name het menselijk brein), waardoor zij onverenigbaar zijn met de neurowetenschappelijke bewijzen.

