Процесс обучения представляется в виде игры агента со средой, в которой агент совершает действия, среда в ответ даёт премии, и агент должен корректировать свою стратегию принятия решений таким образом, чтобы максимизировать суммарную будущую премию. Задача имеет черты классификации и прогнозирования. В простейшем случае это задача выбора действия по накопленной статистике премий, называемая задачей о многоруком бандите. В более сложном случае на каждом шаге известно, в каком из состояний находится среда. Если состояние среды описывается вектором признаков, то для принятия решений возможно приспособить инкрементные методы классификации, а для оптимизации стратегии агента применять градиентные методы. Во всех случаях основным вопросом обучения с подкреплением остаётся компромисс «exploration-exploitation» между изучающими действиями и действиями, непосредственно нацеленными на получение премий.