在博弈论中，囚徒困境是一种非零和博弈。在这个博弈中，和在其他的博弈中一样，它假定每个博弈参与者（即“囚徒”）都是利己的，也就是说，试图最大化其自身的利益，而不关心另一个参与者的福利。
在任何博弈中，如果无论其他参与者的策略是什么，一个参与者还有可以获得更高支付的策略，我们就说这个参与者选择的策略是严格劣势的。一个理性的参与者永远不会选择一个严格劣势的策略。在囚徒困境中，背叛使得合作成为严格劣势的策略，所以这个博弈唯一可能的均衡就是所有参与者都背叛。
这个博弈的唯一均衡不会导致帕累托最优的解决方案。这是因为，当两个理性参与者博弈时，双方都采取背叛，虽然如果他们都采取合作，总收益（两个参与者收益之和）会更高。在均衡中，每个囚徒选择背叛，尽管双方都能通过合作使境况得到改善。这就是“困境”所在。
在重复的囚徒困境中，博弈被反复地进行。因而每个参与者都有机会去“惩罚”另一个参与者前一回合的不合作行为。这时，合作可能会作为均衡的结果出现。欺骗的动机这时可能被受到惩罚的威胁所克服，从而可能导向一个较好的、合作的结果。作为反复接近无限的数量，纳什均衡趋向于帕累托最优。

经典的囚徒困境

经典的囚徒困境叙述如下：
甲、乙两个嫌疑犯被警方逮捕了。警方没有足够的证据确定他们有罪，在把两人分开关押之后，分别和他们见面，并提供相同的选择：如果其中一个作证检举（见同案犯提供的证据）另外一个，而另外一个保持沉默的话，这个沉默的同谋将被判处整整10年监禁，背叛者将被释放。若两个人都保持沉默，警方只能给每个人6个月的轻微指控。如果两个人都背叛对方，他们都将被判处2年监禁。
当一个囚徒假定他们俩都自私自利，要将自身的监禁期限缩至最短时，困境就出现了。每个囚徒有两个选择：与同谋合作，保持沉默；或者背叛同谋，供出证据。每种选择的结果都依赖于同谋的选择。但是，任何一个囚徒都不知道他的同谋的选择。即使他们能交谈，亦无人能肯定相信对方。
让我们来设想故事中的囚徒理性地做出他的最佳选择。如果他的同伴保持沉默，他的最佳选择是背叛，因为这样他能获得自由，而不是得到轻微6个月的判决。如果他的同伴背叛，他的最佳选择仍然是背叛，因为背叛他只需监禁2年而非10年。同样地，另一个囚徒的理性思考也会导致相同的结论，并因而选择背叛。
一个囚徒选择合作将是不理性的，即使他能肯定另一个囚徒会合作。如果从团体（两个囚徒组成）的最优利益来考虑，正确的结论将是两个囚徒彼此合作，因为这将使他们的总监禁时间减少到1年。任何其他的结果都将比两个囚徒的合作要差。然而，由于每个人都只追求他们的个人利益，两个囚徒都得到了更长的判决，这实际既伤害了团体的利益，也伤害了他们的个人利益。这个例子非常漂亮地证明了：在一个非零和博弈中，帕累托最优和纳什均衡是相冲突的，而理性就是自私。