協方差矩陣是一種數學工具，主要用於衡量多維隨機變量中各變量之間的相互關係。
在統計學和數據分析中，協方差矩陣展現的是每一對變量之間的協方差，即變量之間共同變化的程度。協方差矩陣是一箇方陣，其元素Cij表示第i個和第j個變量之間的協方差，而矩陣對角線上的元素則是各個變量的方差。這個矩陣是對稱的，意味着Cij等於Cji，並且是半正定的。
協方差矩陣在統計學和機器學習等領域中有廣泛應用，例如，可視作方差和協方差兩部分組成，即方差構成了對角線上的元素，協方差構成了非對角線上的元素，體現了變量間的聯動關係。