ระบบปฏิบัติการแบบเวลาจริง หรือ ระบบปฏิบัติการแบบทันที (Real-time operating system: RTOS) คือระบบปฏิบัติการที่เวลาเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับประสิทธิภาพของระบบ นั่นคือมีชุดคำสั่งหรือโปรเซสบางอย่าง ที่จำเป็นต้องทำ ณ เวลาที่กำหนด หรือทำให้เสร็จในเวลาที่กำหนด ถ้าทำไม่ได้อาจสร้างความเสียหายหรือเกิดค่าความเสียหาย (cost) กับระบบ โดยทั่วไปสำหรับระบบปฏิบัติการแบบเวลาจริง การทำงานไม่ทันในเวลาที่กำหนด มีค่าเทียบเคียงได้กับ การไม่ได้ทำงานนั้นเลย ระบบปฏิบัติการแบบเวลาจริงมักถูกออกแบบมาเพื่อแอปพลิเคชันแบบฝังตัวหรือแอปพลิเคชันที่ติดตั้งมากับระบบตั้งแต่แรกเพื่อทำงานเฉพาะด้าน เช่น ระบบปฏิบัติการของเครื่องเล่นซีดี ทันทีที่ระบบปฏิบัติการอ่านข้อมูลจากแผ่นซีดีแล้ว จะต้องประมวลผลข้อมูล และส่งสัญญาณเสียงออกไปให้ผู้ฟังทันที ถ้าระบบปฏิบัติการทำงานไม่ทันก็จะทำให้เพลงฟังไม่รู้เรื่อง ระบบปฏิบัติการบางตัวไม่ได้ถูกออกแบบมาตั้งแต่ต้นให้เป็นระบบปฏิบัติการแบบเวลาจริง แต่ก็สามารถถูกดัดแปลงให้เป็นได้เช่นหลายบริษัทพัฒนาและขายลินุกซ์ที่ถูกดัดแปลงเพิ่มขีดความสามารถในการปฏิบัติการแบบเวลาจริง และเมื่อ 8 ตุลาคม พ.ศ. 2547 บริษัท มอนตาวิสตา (Montavista) ได้ส่งแพตช์ (patch) ไปยัง Linux kernel mailing list เพื่อทำให้ลินุกซ์เป็นระบบปฏิบัติการแบบเวลาจริง