Дихотоми́ческое деле́ние (дихотомия, греч. «разделение надвое») — способ классификации: классы, множества, понятия, термины разбиваются на пары соподчиненных (производных) элементов (подклассов, подмножеств) по формуле исключенного третьего: «А или не-А». Только такое деление на два будет дихотомическим, в котором производные классы определяются парой логически противоречивых свойств (терминов), одно из которых служит основанием деления. Так, деление множества всех людей на мужчин и немужчин (по признаку «быть мужчиной») является дихотомическим, но деление множества людей на класс мужчин и класс женщин по признаку пола не является дихотомическим делением. Последний тип деления называют псевдодихотомическим. С точки зрения результата оба типа деления могут совпадать; в этом смысле отнесение некоторого «деления на два» к типу дихотомического зависит от принимаемых допущений. Так, в рамках двузначности принципа псевдодихотомическое деление высказываний на истинные и ложные (основание деления — значение истинности высказывания) равнозначно их дихотомическому делению на класс истинных и класс неистинных высказываний (основание деления — свойство высказывания «быть истинным»).
Любое псевдодихотомическое деление может быть преобразовано в дихотомическое деление, но не наоборот. Это связано с тем, что при дихотомическом делении один из производных классов — дополнительный — определяется всегда только отрицательно (посредством отрицательного термина), тогда как в псевдодихотомическом делении оба класса определяются положительно, заменить же отрицательное определение положительным не всегда возможно. Например, поскольку нет положительного определения понятия «трансцендентная функция», для дихотомического деления функций на алгебраические и трансцендентные (неалгебраические) нет соответствующего псевдодихотомического деления. В биологии дихотомией называют тип ветвления растений, при котором ветвь разделяется на две новые, обычно одинаково развитые ветви. Дихотомия свойственна беспозвоночным животным, например, кишечнополостным.