ในวิชาฟิสิกส์ คลื่นความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational wave) คือความผันผวนของความโค้งในปริภูมิ-เวลาที่แผ่ออกเป็นคลื่น ที่เดินทางออกจากแหล่งกำเนิด[1] อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ทำนายไว้ใน ค.ศ. 1916[2][3] บนพื้นฐานทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา[4][5] คลื่นความโน้มถ่วงส่งพลังงานเป็นรังสีความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational radiation) การมีคลื่นความโน้มถ่วงนี้เป็นผลลัพธ์ที่เกิดได้จากความไม่แปรเปลี่ยนลอเรนซ์ (Lorentz invariance) ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพราะนำมาซึ่งมโนทัศน์ความเร็วจำกัดของการแผ่ของอันตรกิริยากายภาพ ในทางตรงข้าม คลื่นความโน้มถ่วงมีไม่ได้ในกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ซึ่งมีสัจพจน์ว่าอันตรกิริยากายภาพแผ่ด้วยความเร็วอนันต์ก่อนการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง มีหลักฐานโดยอ้อมว่ามีคลื่นนี้อยู่ ตัวอย่างเช่น การวัดระบบดาวคู่ฮัลส์–เทย์เลอร์แนะว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นมากกว่ามโนทัศน์ทางทฤษฎี แหล่งที่เป็นไปได้อื่นของคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจหาได้มีระบบดาวคู่อันประกอบด้วยดาวแคระขาว ดาวนิวตรอนและหลุมดำ ใน ค.ศ. 2016 มีตัวตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงหลายตัวอยู่ระหว่างการก่อสร้างหรือกำลังดำเนินงาน เช่น แอดแวนซ์ไลโกซึ่งเริ่มการสังเกตในเดือนกันยายน ค.ศ. 2015[6] ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 2016 คณะแอดแวนซ์ไลโกประกาศว่าพวกเขาตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงได้จากการชนกันของคู่หลุมดำ[7][8][9][10]