หลุมพลังงาน (อังกฤษ: potential well) คือบริเวณหนึ่งที่ล้อมรอบด้วยระดับพลังงานศักย์ต่ำสุดในย่านนั้น พลังงานที่ติดอยู่ในหลุมพลังงานจะไม่สามารถแปลงไปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่นได้ (เช่น พลังงานจลน์ ในกรณีของหลุมพลังงานความโน้มถ่วง) เนื่องจากมันถูกกักเอาไว้ในขอบเขตหลุมพลังงานต่ำสุดในย่านนั้น ดังนั้นวัตถุจึงไม่สามารถข้ามผ่านระดับพลังงานต่ำสุดได้ดังที่เป็นไปตามธรรมชาติของเอนโทรปี