多输入多输出系统（Multi-input Multi-output ; MIMO）是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。该技术最早是由马可尼于1908年提出的，他利用多天线来抑制信道衰落（fading）。根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出系统（Single-Input Single-Output，SISO），MIMO此类多天线技术尚包含早期所谓的“智能天线”，亦即单输入多输出系统（Single-Input Multi-Output，SIMO）和多输入单输出系统（Multiple-Input Single-Output，MISO）。
由于MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损（transmit power expenditure）的情况下大幅地增加系统的数据吞吐量（throughput）及发送距离，使得此技术于近几年受到许多瞩目。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率，以提升传输速率并改善通信质量。
1990年代，全世界无线通信领域均针对多天线系统进行研究，希望实现出能指向接收者之波束成型技术（Beamforming），亦即是所谓智能天线——一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智能天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉（constructive interference）及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）来增加信号增益，以实现上述智能天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用一较窄的天线间距来实现此波束。一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距，以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射（grating lobes），亦即空间上的混叠。
波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间多样及空分复用的技术在1990年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径（multipath propagation）现象来增加数据吞吐量、发送距离，或减少比特误码率。这些类型的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实现，以确保MIMO信道间的低关系性及高分集阶数（diversity order）。
MIMO此科技与平坦衰落通道（flat fading channels）兼用时最佳，以降低接收端通道等化器之复杂度及维持接收端的低功率耗损，也因此MIMO多半与OFDM结合为复合技术。MIMO-OFDM同时为IEEE 802.16及IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的采用标准之一。WCDMA的系统，如HSDPA，亦进行将MIMO技术标准化。
MIMO通信技术包括以下领域：
以上MIMO相关技术并非相斥，而是可以相互配合应用的，如一个MIMO系统即可以包含空分复用和多样的技术。
