灰度图像是每个像素只有一个采样颜色的图像。这类图像通常显示为从最暗黑色到最亮的白色的灰度，尽管理论上这个采样可以是任何颜色的不同深浅，甚至可以是不同亮度上的不同颜色。灰度图像与黑白图像不同，在计算机图像领域中黑白图像只有黑白两种颜色，灰度图像在黑色与白色之间还有许多级的颜色深度。
灰度图像通常是在单个电磁波频谱如可见光内测量每个像素的亮度得到的，用于显示的灰度图像通常用每个采样像素8位的非线性尺度来保存，这样可以有256种灰度（8位就是2的8次方=256）。这种精度可以避免可见的条带失真，并且非常易于编程。
除了常见的卫星图像、航空照片外，许多地球物理观测数据也以灰度表示。例如位场表示为灰度图，需要将位场观测值灰度量化，即将场的变化范围转换成256阶的灰度范围。由于位场的动态变化范围非常大，磁场可达数万个纳特，重力场也可能在数百个重力单位内变化，所以在显示为图像前通常需要对位场观测值进行拉伸或压缩。
此外，灰度图像是二值图像和彩色图像的过渡版本，即灰度图保存的信息没有彩色图像多，但比二值图像多，灰度图只包含一个通道的信息，而彩色图通常包含三个通道的信息。在一些关于数字图像的文章中单色图像等同于灰度图像，在另外一些文章中又等同于黑白图像。
