พลูโทเนียม (อังกฤษ: Plutonium) เป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 94 และสัญลักษณ์ คือ Pu เป็นธาตุโลหะกัมมันตรังสี เป็นโลหะแอกทิไนด์สีขาวเงิน และจะมัวลงเมื่อสัมผัสอากาศซึ่งเกิดจากการรวมตัวกับออกซิเจน โดยปกติ พลูโทเนียมมี 6 ไอโซโทป และ 4 สถานะออกซิเดชัน สามารถเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับคาร์บอน ฮาโลเจน ไนโตรเจน และซิลิกอน เมื่อสัมผัสอากาศชื้นจะสร้างสารประกอบออกไซด์และไฮไดรด์มากกว่า 70 % ของปริมาตรซึ่งจะแตกออกเป็นผงแป้งที่สามารถติดไฟได้เอง พลูโทเนียมมีพิษที่เกิดจากการแผ่รังสีที่จะสะสมที่ไขกระดูก นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ทำให้การจัดการพลูโทเนียมเป็นเรื่องที่อันตรายมาก ไอโซโทปที่สำคัญของพลูโทเนียม คือ พลูโทเนียม-239 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 24,100 ปี พลูโทเนียม-239 และ 241 เป็นวัสดุฟิสไซล์ ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสของอะตอมสามารถแตกตัว โดยการชนของนิวตรอนความร้อนเคลื่อนที่ช้า ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงาน รังสีแกมมา และนิวตรอนจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ นำไปสู่การประยุกต์สร้างอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ไอโซโทปที่เสถียรที่สุด คือ พลูโทเนียม-244 ซึ่งมีครึ่งชีวิตประมาณ 80 ล้านปี นานพอที่จะสามารถพบได้ในธรรมชาติ พลูโทเนียม-238 มีครึ่งชีวิต 88 ปี และปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา มันเป็นแหล่งความร้อนของเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี ซึ่งใช้ในการให้พลังงานในยานอวกาศ พลูโทเนียม-240 มีอัตราของการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมด้วยตัวเองสูง เป็นการเพิ่มอัตรานิวตรอนพื้นฐานของตัวอย่างที่มีไอโซโทปนี้ประกอบอยู่ด้วย การมีอยู่ของ Pu-240 เป็นข้อจำกัดสมรรถภาพของพลูโทเนียมที่ใช้ในอาวุธหรือแหล่งพลังงานและเป็นตัวกำหนดเกรดของพลูโทเนียม: อาวุธ (< 7%), เชื้อเพลิง (7–19%) และเกรดเครื่องปฏิกรณ์ (> 19%)ธาตุลำดับที่ 94 สังเคราะห์ได้เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1940 โดยทีมของ เกลนน์ ที. ซีบอร์ก และ เอดวิน แมกมิลแลน ที่ห้องวิจัยในมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์โดยการระดมยิงยูเรเนียม-238 ด้วยดิวเทอรอน แมกมิลแลนตั้งชื่อธาตุนี้ตามดาวพลูโต และซีบอร์กเสนอสัญลักษณ์เป็น Pu ซึ่งเป็นเรื่องตลกเล็ก ๆ ต่อมามีการพบพลูโทเนียมในธรรมชาติ การค้นพบพลูโทเนียมถูกรักษาไว้เป็นความลับซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตันเพื่อพัฒนาระเบิดปรมาณูในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง การทดลองอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรกคือ "ทรินนิที" (กรกฎาคม ค.ศ. 1945) และระเบิดปรมาณูที่นำไปใช้ทำลายเมืองในครั้งที่สอง (นะงะซะกิ ญี่ปุ่น สิงหาคม ค.ศ. 1945) คือ "แฟตแมน" ระเบิดทั้งสองใช้แกนเป็น Pu-239 นอกจากนี้ยังมีการทดลองผลของพลูโทเนียมต่อมนุษย์โดยไม่มีการแจ้งยินยอม และอุบัติเหตุมวลถึงระดับวิกฤต จนเป็นเหตุให้มีผู้เสียชีวิตนั้น เกิดขึ้นในระหว่างและหลังสงคราม การจัดการกับกากพลูโทเนียมจากโรงงานพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ที่ถูกแยกส่วนทำลายซึ่งสร้างในระหว่างสงครามเย็นเป็นความกังวลหลักในเรื่องการเพิ่มขึ้นของนิวเคลียร์ สุขภาพ และสิ่งแวดล้อม แหล่งที่มาอื่น ๆ ของพลูโทเนียมในธรรมชาติคือฝุ่นรังสีนิวเคลียร์จากการทดลองนิวเคลียร์ทั้งบนดินและใต้ดินและอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์