Đây là một phương pháp thống kê mà giá trị kỳ vọng của một hay nhiều biến ngẫu nhiên được dự đoán dựa vào điều kiện của các biến ngẫu nhiên (đã tính toán) khác. Cụ thể, có hồi qui tuyến tính, hồi qui lôgic, hồi qui Poisson và học có giám sát. Phân tích hồi qui không chỉ là trùng khớp đường cong (lựa chọn một đường cong mà vừa khớp nhất với một tập điểm dữ liệu); nó còn phải trùng khớp với một mô hình với các thành phần ngẫu nhiên và xác định (deterministic and stochastic components). Thành phần xác định được gọi là bộ dự đoán (predictor) và thành phần ngẫu nhiên được gọi là phần sai số (error term).

Dạng đơn giản nhất của một mô hình hồi qui chứa một biến phụ thuộc (còn gọi là ""biến đầu ra,"" ""biến nội sinh,"" ""biến được thuyết minh"", hay ""biến-Y"") và một biến độc lập đơn (còn gọi là ""hệ số,"" ""biến ngoại sinh"", ""biến thuyết minh"", hay ""biến-X"").

Ví dụ thường dùng là sự phụ thuộc của huyết áp Y theo tuổi tác X của một người, hay sự phụ thuộc của trọng lượng Y của một con thú nào đó theo khẩu phần thức ăn hằng ngày X. Sự phụ thuộc này được gọi là hồi qui của Y lên X.

Hồi qui thường được xếp vào loại bài toán tối ưu vì chúng ta nỗ lực để tìm kiếm một giải pháp để cho sai số và phần dư là tốt nhất. Phương pháp sai số chung nhất được sử dụng là phương pháp bình phương cực tiểu: phương pháp này tương ứng với một hàm hợp lý dạng Gauss của các dữ liệu quan sát khi biết biến ngẫu nhiên (ẩn). Về một mặt nào đó, bình phương cực tiểu là một phương pháp ước lượng tối ưu: xem định lý Gauss-Markov.

Để giải quyết bài toán tối ưu trong hồi qui thường dùng các giải thuật như giải thuật hạ bậc gradient gradient descent, giải thuật Gauss-Newton, và giải thuật Levenberg-Marquardt. Các giải thuật xác suất như RANSAC có thể được dùng để tìm một phù hợp tốt cho tập mẫu, khi cho trước một mô hình tham số hóa của hàm đường cong.