หลอดเลือดดำชั้นลึก (อังกฤษ: Deep vein) เป็นคำที่ใช้อธิบายหลอดเลือดดำที่อยู่ลึกลงไปในร่างกาย ต่างจากหลอดเลือดดำที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวของร่างกายที่เรียกว่าหลอดเลือดดำชั้นผิวหลอดเลือดดำชั้นลึกมักจะอยู่ข้างหลอดเลือดแดงที่มีชื่อเดียวกัน (เช่น หลอดเลือดดำต้นขา (femoral vein) ที่อยู่ข้างหลอดเลือดแดงต้นขา (femoral artery)) เรียกลักษณะหลอดเลือดดำนี้ว่า venae comitantes หลอดเลือดดำชนิดนี้จะลำเลียงเลือดได้เป็นปริมาณมาก การอุดตันของหลอดเลือดดำชั้นลึกมักทำให้เกิดภาวะหลอดเลือดมีลิ่มเลือด (thrombosis) ซึ่งอันตรายถึงชีวิต การอุดตันของหลอดเลือดดำชั้นลึกนี้มีคำเรียกเฉพาะว่า deep vein thrombosis