Statistické zpracování signálů je oblast zpracování signálů zabývající se signály a jejich statistickými vlastnostmi (střední hodnota, kovariance atd.). Zabývá se jím především oblast elektrotechniky a výpočetní techniky, i když důležité aplikace existují téměř ve všech vědních oborech.
Základní myšlenkou je, že signál není modelován jako konkrétní funkce (například) času (tj. y(t)=sin(t)), ale jako funkce náhodné veličiny (tj. y(t) = A + N(průměr, rozptyl), konstantní hodnota s přídavkem Gaussova šumu). Vzhledem k informacím o náhodné veličině můžeme rozšířit naše znalosti o výstupním signálu, nebo naopak, vzhledem ke statistickým vlastnostem výstupního signálu lze odvodit vlastnosti základní náhodné veličiny.
Využití těchto technik dává vzniknout teorii odhadu, teorii detekce a mnoha příbuzným oborům, které se opírají o statistické informace, aby maximalizovaly svou efektivitu.