信号処理（しんごうしょり、英: signal processing）とは、信号（光・音声・画像信号など）を数理手法で処理（分析・加工）する学問・技術の総称である。

アナログ信号処理とデジタル信号処理に分けられる。信号処理を支える基礎的な分野は信号理論とも呼ばれる[1]。

基本的には、信号から信号に変換するものであり、信号とは別の形式の情報を得るもの（例えば、カテゴリ分けや関連づけ、推論的な情報を得る認識や理解など）は含まれない。圧縮も含まれないことが多い。但し、認識や理解、圧縮の前段階としての信号の変換は信号処理と呼ばれる。そのため、信号処理はそれらの技術に対して非常に重要であるとともに関連が強い。なお、また入力と出力が同じ種類(物理量)の信号である場合（例えば入力と出力ともに同じ音圧である場合）には、フィルタリングとも呼ばれる。

信号処理の例としては、ノイズの載った信号から元の信号を推定するノイズ除去や、時間的な先の値を推定する予測、時間周波数解析などを行う直交変換、信号の特徴を得る特徴抽出、特定の周波数成分のみを得るフィルタなどがある。

高速フーリエ変換、ウェーブレット変換、畳み込み等のアルゴリズムがあり、以前はそれぞれ専用のハードウェアで処理していたが、近年ではDSPや汎用のハードウェアでソフトウェアで処理したり、FPGAによる再構成可能コンピューティングによって処理する方法が開発されつつある。
応用

音響技術：デジタル録音・編集、音楽CD作成、MP3など音声ファイルの圧縮、スマホ向け音声認識など （音響信号処理、音声処理、音声認識）

画像処理：デジタルカメラ、デジタルビデオ、画像編集、画像認識、JPEGなどの画像ファイル圧縮 (デジタル画像処理)

音声処理：音声合成、音声認識、音声符号化など

動画処理：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4などで用いられる動画ファイルの圧縮、CGアニメーション

医療技術：X線CTやMRIなどの断層撮影、超音波検査、脳波、脳磁図の解析など (医療画像処理、コンピュータグラフィックス)

通信：移動体通信、レーダー技術、アンテナ技術、暗号化など

天文学：各種望遠鏡の信号解析、天気予報など

海洋: ソナー

地学: 地震データ処理

経済学: 経済予測

手法

周波数解析（スペクトル分析）: ある信号を、周波数成分の線形結合へと変換し解析する手法

フーリエ解析

フーリエ変換: ある信号を、異なる周波数の正弦波による線形結合へと変換する処理・関数

周波数スペクトル