Gli stimatori rappresentano un modello completo ma, al tempo stesso, appaiono più intuitivi agli utenti meno esperti. L'API Estimator fornisce metodi per addestrare il modello, valutarne l'accuratezza e generare previsioni. TensorFlow offre uno stack di programmazione costituito da diversi livelli di API, come mostrato nell'immagine sottostante.

Esistono due tipi di stimatori: si possono scegliere stimatori predefiniti o, in alternativa, scrivere propri stimatori personalizzati. I modelli basati su stimatori possono essere eseguiti su host locali così come in un ambiente multiserver distribuito, senza cambiare il modello. Inoltre, i modelli basati su stimatori possono essere eseguiti su CPU, GPU o TPU senza dover registrare il modello.
In aggiunta, lo stimatore ha un comportamento standard comune ai lavori di addestramento, ad esempio salva e ripristina punti di controllo (checkpoint), crea sommari ecc. Uno stimatore richiede che l'utente scriva una model_fn e una input_fn che corrispondano alle porzioni di modello e input del grafo di TensorFlow.
