Problem odwrotny (zagadnienie odwrotne, ang. Inverse problem) jest zadaniem, które często występuje w różnych gałęziach nauki czy matematyki gdzie niektóre parametry modelu muszą być wyznaczone z obserwowanych wartości.
Ideę zagadnienia można sformułować następująco:
Odnosząc rozumowanie do ilustracji obok załóżmy że nasz model polega na zsumowaniu wszystkich cyfr z pudła (część A rysunku). Zagadnienie odwrotne mogłoby polegać na wyznaczeniu na podstawie obserwowanego wyniku 27 zawartości pudła (część B rysunku). W zależności od dodatkowych informacji o naszym modelu możemy uzyskać rzeczywiste rozwiązanie bądź nie. Mówimy wtedy, że problem jest dobrze bądź źle postawiony.
Praktycznym wykorzystaniem problemu odwrotnego jest np. algorytm rekonstrukcji obrazu w tomografii komputerowej.