Trong toán học, lý thuyết mô hình là ngành nghiên cứu các lớp cấu trúc toán học (ví dụ như nhóm, trường, đồ thị, các vũ trụ trong lý thuyết tập hợp) từ quan điểm của logic toán học. Đối tượng nghiên cứu là các mô hình của các lý thuyết trong một ngôn ngữ hình thức. Một tập hợp các câu trong một ngôn ngữ hình thức là một trong những thành phần tạo nên một lý thuyết. Một mô hình của một lý thuyết là một cấu trúc (ví dụ, một diễn giải) thỏa mãn các câu của lý thuyết đó.Một ví dụ đơn giản là hình học Riemann trên một bề mặt cung cấp một mô hình cho hình học Euclid không có tiên đề về đường thẳng song song. Hình học Riemann trên mặt phẳng cung cấp một mô hình cho hình học Euclid với tiên đề về đường thẳng song song. Tuy nhiên, lý thuyết mô hình không quan tâm đến đối tượng nghiên cứu của hình học Riemann hay hình học Euclid, mà nó quan tâm đến đặc tính cú pháp và ngữ nghĩa của các lý thuyết này.Lý thuyết mô hình nhận ra và có liên hệ mật thiết với một sự đối ngẫu giữa cú pháp và ngữ nghĩa: nó kiểm tra các yếu tố ngữ nghĩa (ý nghĩa và giá trị sự thật) bằng các yếu tố cú pháp (công thức và chứng minh) của một ngôn ngữ tương ứng.Trong một định nghĩa tóm tắt, có từ năm 1973:Lý thuyết mô hình được phát triển nhanh chóng trong những năm 1990 và một định nghĩa hiện đại hơn được đưa ra bởi Wilfrid Hodges (1997):Tương tự như lý thuyết chứng minh, lý thuyết mô hình nằm ở giao diện liên ngành giữa toán học, triết học và khoa học máy tính. Tổ chức chuyên nghiệp nổi bật nhất trong lĩnh vực lý thuyết mô hình là Hiệp hội Logic tượng trưng.