Điều kiện hóa cổ điển là quá trình học tập xảy ra khi một kích thích trung tính được ghép nối với một kích thích đã gây ra phản ứng. Sau nhiều lần ghép nối, chính kích thích trung tính đó bắt đầu gây ra một phản ứng tương tự.

Thí nghiệm của Ivan Pavlov với chó vẫn là ví dụ kinh điển. Âm thanh của máy đếm nhịp, ban đầu không liên quan, được phát ra ngay trước khi cho ăn. Thức ăn tự nhiên gây ra tiết nước bọt. Sau một vài lần kết hợp, chỉ riêng tiếng máy đếm nhịp cũng gây ra tiết nước bọt. Thức ăn là kích thích không điều kiện; tiết nước bọt khi ăn là phản ứng không điều kiện; máy đếm nhịp trở thành kích thích có điều kiện; tiết nước bọt khi nghe máy đếm nhịp là phản ứng có điều kiện.

Hiện tượng này rất phổ biến. Phản ứng cảm xúc đối với địa điểm, con người và quảng cáo thường được hình thành do điều kiện hóa cổ điển. Sự ác cảm với một số loại thực phẩm có thể hình thành chỉ sau một lần tiếp xúc với một loại thực phẩm mới và sau đó dẫn đến bệnh tật. Các kỹ thuật trị liệu như giải mẫn cảm hệ thống sử dụng cùng nguyên tắc đó nhưng theo chiều ngược lại để giảm nỗi sợ hãi có điều kiện.

Thuyết điều kiện hóa cổ điển cho thấy hệ thần kinh tự động ghi nhớ các mối quan hệ dự đoán giữa các sự kiện, ngay cả khi sinh vật không cố gắng học hỏi điều gì.