Trong sinh học, mô hình tối ưu (tiếng Anh: optimality model) là những công cụ được sử dụng để đánh giá chi phí và lợi ích của các đặc điểm, tính trạng, kiểu hình và dáng vẻ khác nhau của sinh vật (bao gồm cả hành vi) trong thế giới tự nhiên. Đánh giá này cho phép các nhà nghiên cứu đưa ra dự đoán về hành vi tối ưu của sinh vật hoặc các khía cạnh khác trong kiểu hình của nó. Mô hình hóa tối ưu là khía cạnh mô hình hóa của lý thuyết tối ưu hóa. Nó cho phép tính toán và hình dung các chi phí và lợi ích ảnh hưởng đến kết quả của một quyết định (ví dụ: việc tối ưu hóa kiếm ăn), và góp phần vào sự hiểu biết về sự thích ứng. Cách tiếp cận dựa trên các mô hình tối ưu trong sinh học đôi khi được gọi là lý thuyết tối ưu.
Hành vi tối ưu được định nghĩa là hành động tối đa hóa sự khác biệt giữa chi phí và lợi ích của quyết định đó. Ba biến số chính được sử dụng trong các mô hình hành vi tối ưu: sự quyết định, tiền tệ và ràng buộc (hiểu trong bối cảnh này). Quyết định liên quan đến việc cân nhắc về chi phí và lợi ích của các hành động của động vật. Tiền tệ trong bối cảnh này được định nghĩa là biến số nhằm mục đích tối đa hóa (ví dụ: lương thực trên một đơn vị chi tiêu năng lượng, nghĩa là lượng thức ăn kiếm được so với công sức bỏ ra). Nó là yếu tố thúc đẩy một hành động và thường liên quan đến thức ăn hoặc các mặt hàng khác cần thiết cho sự tồn tại của sinh vật.
Ràng buộc đề cập đến những giới hạn được đặt ra đối với hành vi, chẳng hạn như thời gian và năng lượng được sử dụng để thực hiện hành vi đó, hoặc có thể là những hạn chế vốn có đối với khả năng giác quan của chúng. Những hạn chế này có thể là do đặc điểm của môi trường sống hoặc sinh lý của động vật và có thể hạn chế hiệu quả kiếm ăn của chúng. Các mô hình tối ưu được sử dụng để dự đoán hành vi tối ưu (ví dụ: thời gian dành cho việc kiếm ăn). Để đưa ra dự đoán về hành vi tối ưu, đồ thị chi phí-lợi ích được sử dụng để hình dung mô hình tối ưu. Tính tối ưu xảy ra ở điểm mà sự khác biệt giữa lợi ích và chi phí để có được tiền tệ thông qua một hành vi cụ thể là tối đa.