วงโคจรผ่านบรรยากาศ (อังกฤษ: transatmospheric orbit; TAO ) เป็นวงโคจรรอบเทหวัตถุซึ่งจุดต่ำจุดของวงโคจรตัดกับเส้นกำหนดแนวเขตชั้นบรรยากาศ[1][2][3] โดยทั่วไป นิยามของวงโคจรผ่านบรรยากาศใช้เส้นคาร์มันที่ความสูง 100 km (62 mi) ตามที่กำหนดโดยสหพันธ์กีฬาทางอากาศนานาชาติเป็นตัวแบ่งแยกระหว่างวงโคจรผ่านบรรยากาศกับวงโคจรต่ำของโลก แต่นิยามอย่างเช่นความสูง 50 mi (80 km) ที่กำหนดโดยสหรัฐก็ถูกใช้เช่นกัน วงโคจรเช่นดังกล่าวจะได้รับแรงต้านบรรยากาศมาก ทำให้เกิดการเสื่อมวิถีโคจรอย่างรวดเร็วดาวเทียมบางส่วนนั้นอยู่ในวงโคจรผ่านบรรยากาศ[4] โดยทั่วไปแล้วเกิดจากข้อขัดข้องในการส่งขึ้น ด้วยลักษณะของวงโคจรผ่านบรรยากาศที่ทำให้วัตถุในวิถีเกิดการเสื่อมวิถีโคจรอย่างรวดเร็ว จึงทำให้ประโยชน์ในการนำไปใช้มีจำกัด โดยมีตัวอย่างการใช้เช่นการทดสอบการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของเครื่องบินอวกาศไอเอกซ์วี ซึ่งถูกส่งไปยังวงโคจรผ่านบรรยากาศที่มีจุดต่ำสุดที่ 76 km (47 mi) และจุดสูงสุดที่ 416 km (258 mi)[5]