在统计学中，协方差矩阵是一个方阵，其中元素为一组变量之间的协方差。它反映出变量之间的关系，很多统计分析和机器学习算法都常常使用协方差矩阵作为基础。
协方差矩阵的对角线上是每个变量的方差，因此其相应的元素称为方差；协方差矩阵中其它元素是每个变量之间的协方差。协方差矩阵是对称的，因为协方差是对称的。也就是说，变量A与B之间的协方差等于变量B与A之间的协方差，即协方差具有交换律，这是由于它们都表示同一组变量的联合变异性。
协方差矩阵的应用十分广泛，特别是在金融领域。股票的收益率和波动性之间的关系可以通过协方差矩阵来计算。协方差矩阵也常用于风险分析和交易策略的设计。
此外，协方差矩阵还可以被应用于信号处理和计算机视觉中的特征提取，以及分类和图像识别算法的设计。