Algılama aşamasından sonra otonom sistemin ne yapacağına karar vermesi gerekir. Otonom Karar Verme (Autonomous Decision Making), makine öğrenmesi ve yapay zekâ modelleriyle yönetilir. Sistem, karşılaştığı duruma en uygun eylemi (frene basma, sağa dönme vb.) belirler.
Bu süreçte derin pekiştirmeli öğrenme (reinforcement learning) algoritmaları sıklıkla kullanılır. Sistem, simülasyon ortamlarında milyonlarca kez deneme-yanılma yaparak en güvenli ve en verimli sürüş/hareket stratejilerini kendi kendine öğrenir.