โรเบิร์ต วูดโรว์ วิลสัน (อังกฤษ: Robert Woodrow Wilson; เกิด 10 มกราคม ค.ศ. 1936) เป็นนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกับ อาร์โน อัลลัน เพนเซียส จากผลงานการค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล เมื่อปี ค.ศ. 1964 ขณะที่วิลสันและเพนเซียสกำลังทำงานกับจานรับสัญญาณชนิดใหม่ที่ห้องทดลองเบลล์ ในนิวเจอร์ซีย์ พวกเขาได้พบกับแหล่งกำเนิดคลื่นรบกวนในบรรยากาศที่ไม่สามารถอธิบายได้ หลังจากพยายามตัดแหล่งกำเนิดคลื่นรบกวนที่เป็นไปได้ทั้งหมดแล้ว ในที่สุดพวกเขาจึงสามารถระบุถึงคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังได้ ซึ่งส่งผลสำคัญอย่างมากต่อการศึกษาทฤษฎีบิกแบง