Głęboka homologia – wspólny mechanizm genetyczny regulujący powstawanie morfologicznie i filogenetycznie odległych cech danych organizmów (definicja ta bywa jednak uznawana przez niektórych autorów za niewystarczająco precyzyjną).
Termin „głęboka homologia” został wprowadzony w 1997 roku przez Neila Shubina i współpracowników, którzy spostrzegli duże podobieństwa w regulacji genetycznej wykształcania narządów takich, jak skrzydła owadów i kończyny kręgowców. Cechy powstałe w wyniku tego mechanizmu są homoplastyczne, ponieważ nie występowały u ostatniego wspólnego przodka wykazujących je taksonów, jednak geny odpowiedzialne za ich rozwój są homologiczne. Odkrycie głębokich homologii dowiodło, że nowe struktury nie muszą być wynikiem mutacji, lecz mogą ewoluować w wyniku „uruchomienia” genetycznego mechanizmu, który powstał u znacznie starszych filogenetycznie organizmów.
Jako najistotniejsze przykłady głębokich homologii podaje się płetwy ryb i kończyny tetrapodów, których wykształcenie jest regulowane genami z grupy Hoxd, kończyny stawonogów i czworonogów (m.in. geny Distal-less i homothorax i ich homologi Dlx i Meis1), oczy kręgowców i bezkręgowców (m.in. gen PAX6), rogi niektórych chrząszczy z grupy Scarabaeoidea wśród zwierząt (m.in. Distal-less i homothorax), ryzoidy u gametofitu mszaków i włośniki u sporofitu roślin naczyniowych (grupa genów RHD6-LIKE) oraz liście złożone u dwuliściennych właściwych (geny NAM/CUC-LIKE) wśród roślin.