这里涉及到机器学习子领域的分类。所有的分类，首先要问的是为什么这么分？按什么维度进行划分？符合逻辑的分类能帮助人们建立认知架构，不符合逻辑的分类能让人一头雾水。
1、机器学习是人工智能的子领域
人工智能的子领域，沿着历史的发展，有比较显著的特点。大致可分为：
60 年代开始的“ 推理期 ”：研究搜索，成果包含 定理自动证明、国际象棋系统 DeepBlue
仅会推理并无法处理实际问题，实际问题中需要宽泛的知识。70 年代开始的“ 知识期 ”，研究基于知识的推理，成果包含 Prolog、各类专家系统、以及今天的知识图谱
仅靠人工录入知识，难以形成大规模应用。90 年底开始的“ 学习期 ”，研究从数据中归纳知识，成果包含 今天的各种数据分析、挖掘系统
可见“学习”是人工智能的一个大方向，“ 机器学习 ”按照 Tom Mitchell 的定义是从经验中自动改进系统性能的程序。经验常以数据的方式呈现，因此实践上机器学习为数据分析提供了主要工具。换句话说，今天对数据进行较为深入的分析，总结出模型的工作，都属于机器学习范畴。
2、机器学习的任务分类
机器学习从数据中总结模型，而数据表示的经验可以包含不同的信息形态，其中的一个关键的信息，是关于模型表现的反馈信息。有的数据中包含了模型应该输出的值，有的数据则完全没有这一类信息，还有的数据中包含的是对模型表现的打分。不同的反馈信息导致我们需要用不同的技术进行处理，因此按照反馈信息的不同，机器学习经典划分为三大类：
监督学习 ：处理包含有模型正确输出值的数据，即有标记数据。例如图像识别数据中，每一张图像都有相应分类标记。
强化学习 ：处理的数据仅包含有模型打分值，而不知道模型到底应该输出什么，因此只能靠算法去不断的探索，寻找打分值最高的模型输出。例如围棋游戏，缺乏每一步走棋的最佳指导，只能通过最终的输赢作为打分，自主探索寻找最佳模型。
无监督学习 ：数据中完全没有关于模型输出好坏的客观评估。这时通常会人为的设置某种学习目标，以开展学习，例如把 256 维人脸照片压缩到 4 维，此时并没有任何关于这 4 维应该如何的信息，一种做法是使得这 4 维能够还原出 256 维的人脸，这就是一种人为设定的目标。这种还原自身信息的做法也叫自监督学习，虽然名称中有“监督”，其实是一类借用监督技术的无监督学习。
可见这一分类，是按照机器学习的任务维度进行划分。当然这样的划分并不具有完全清晰的边界，随着越来越多的交叉领域研究工作的开展，出现很多衍生的方向：
监督学习 X 无监督学习：例如数据包含一部分有标记 / 有一部分标记的数据、以及无标记的数据，研究如何利用无标记数据提升模型性能，这一领域称为 半监督学习 、 弱监督学习
监督学习 X 强化学习：例如围棋中存在一部分人类专家的演示数据，利用这样的数据可以用监督学习模仿人类走棋，在 AlphaGo 最初版本中如此使用。这一领域称为 模仿学习
强化学习 X 无监督学习：例如在强化学习的任务中缺少打分，算法自行对环境进行探索、发现功能性技能等等。
以上所述的机器学习子领域，其实都属于 归纳学习 ，即从样本中归纳规律。由于广泛的适用性，归纳学习成为“默认的机器学习”。然而机器学习中实际还有另一类， 演绎学习 ，通过推理出新的知识进行学习。这一方向由于数据分析大行其道以往不受重视，但近年随着符号 AI 的复兴，也正在成长。
3、机器学习的模型分类
早期机器学习研究，由不同的启发思想产生了不同的模型，包含：
最近邻模型
决策树模型
贝叶斯模型
线性模型
多层神经网络模型
等等，早期的研究多集中在数据量较小、语意层面较高的数据，例如用户购买商品的数据，一个商品 ID 对应了一个商品。而对语意层面较低的数据，例如图像数据，用每一个像素的灰度值表征，识别图像中的人脸需要建立灰度值到人名的联系，跨度巨大；语音数据，用波形表征，识别一个词需要建立一连串的声波强度到词语的联系，跨度巨大，因此取得的性能有限，且往往需要依赖人工构造的高层特征，例如人脸图像的灰度直方图投影等。
2012 年，某种结构的多层神经网络的模型，结合大量的数据，在语音识别、图像识别上取得性能突破，引起了广泛关注，随后越来越多层的神经网络模型，在海量图像、语音数据上体现的优势愈加显著。为区别传统的模型，使用这一类深层神经网络模型被称为 深度学习 。
其特点在于，不同于特征工程 + 传统模型，深度模型从低层语意数据直接学习上层任务，即所谓的“端到端”学习，其中自动包含了对数据的表征学习。反过来，包含表征学习的模型，通常也需要进行多层次的处理，也都可称为深度学习。除了深度神经网络外，也有深度森林等非神经网络模型。
机器学习的任务与模型是可以组合的，即有非深度 / 深度监督学习、非深度 / 深度强化学习、非深度 / 深度无监督学习等等。